[发明专利]快速重访卫星轨道设计方法

说明书

本发明提供一种快速重访卫星轨道设计方法，该方法通过建立该轨道的数学模型，并利用数学模型得到约束方程及设计变量，最后通过对变量进行优化得到重访时间最短的升降段重复观察轨道的轨道相关参数，实现了卫星在升段降段均过顶地面目标，使卫星可以在不进行测摆的基础上实现一天内对地面目标的两次观测，降低了有效载荷的复杂性，提高了卫星对地观测的分辨率，满足快速响应轨道低成本、重复性及快速响应性等要求。

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体的涉及一种快速重访卫星轨道设计方法。

背景技术

空间快速响应是指在发生战争或自然灾害等突发事件时，能够在短时间内完成航天器的生产、装配、测试和发射任务，并尽快地使航天器进入标准轨道，实现其预期的功能。快速响应包括快速进入空间和快速应用空间两方面。前者要求运载火箭具备在数小时内将有效载荷送入用户指定轨道的能力。快速应用空间要求不能按照现有空间利用方法，在卫星入轨后还要花费数月时间完成在轨测试与校正的话，快速进入空间也将失去快速响应的意义。空间快速响应轨道是指能实现快速响应空间任务的轨道。快速响应空间轨道需满足以下要求：

(1)应急能力，以该轨道为目标的卫星，在发射后几小时内即可返回数据；

(2)低成本，有效载荷可利用小型发射工具进行发射入轨，发射成本低；

(3)任务响应时间短，入轨后短时间内可实现对目标的访问；

(4)重复性高，可实现对目标的重复观测。

根据快速响应空间技术对应急轨道的要求，能满足上述要求的应急轨道主要有两类：低地球轨道(LEO)和较低的大椭圆轨道(HEO)。通常考虑的轨道有眼镜蛇轨道、魔法轨道、太阳同步LEO、快速进入LEO和重复覆盖LEO。其中快速进入的近地轨道和重复覆盖的低地球轨道适合于指定区域的应急侦察监视任务。应急侦察监视任务要求侦察卫星在接到任务需求后能够快速获取地面目标的信息并完成数据回传，这一特点对卫星在军民方面均具有极高的应用价值。

众多研究人员针对指定区域的应急侦察任务提出了快速响应轨道设计方法，其核心思想是针对给定的目标区域建立快速响应轨道的优化模型，采用数值优化算法，搜索最优解，因而存在计算量大、耗时长、模型不通用的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速重访卫星轨道设计方法，该发明解决了现有快速响应轨道设计方法存在计算量大、耗时长、模型不通用的技术问题。

本发明提供一种快速重访卫星轨道设计方法，包括以下步骤：

步骤S100：构建快速重访卫星轨道的设计模型，设计模型包括：轨道的回归圈数N和回归天数D，轨道的轨道倾角i和轨道的升交点从M点到P点时在轨卫星转过的整圈数n，其中，M点为在轨卫星升段过程中对地面目标点L访问时，轨道的升交点在赤道上的位置任意点；P点为在轨卫星降段过程中对目标点L访问时，轨道的升交点在赤道上的位置任意点；

步骤S200：在设计模型中带入无约束条件下优化得到的回归圈数N、回归天数D和整圈数n，计算得到快速重访卫星轨道的轨道倾角i；

步骤S300：将升交点进动角速度计算公式和升交点周期T_s计算公式带入设计模型中，得到轨道的轨道高度H计算公式，将步骤S200中得到的轨道倾角i带入轨道高度H计算公式中，计算得到轨道的轨道高度H；

步骤S400：获取目标点L的经度λ_L和纬度并将步骤S200中得到的轨道倾角i、回归圈数N和回归天数D，带入设计模型中，求解轨道的升交点赤经Ω；

步骤S500：依据计算得到的轨道高度H、轨道倾角i、升交点赤经Ω确定具有快速响应功能的快速重访卫星轨道。

进一步地，设轨道过顶目标点的升交点必须经过M点，同时设轨道的升交点重复交替地经过M点和P点，得到设计模型包括：