[发明专利]北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计方法

说明书

本发明提供一种北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计方法，第一步，选定待废弃北斗导航卫星，计算离轨时刻的升交点赤径；第二步，计算废弃轨道长半轴、偏心率的取值范围；第三步，开始优化，计算从初始轨道机动到废弃轨道的燃料消耗；第四步，演化200年，得到200年后废弃轨道的长半轴、偏心率；第五步，计算废弃轨道优化目标函数；第六步，目标函数取得最优值后，输出废弃轨道的轨道参数。利用该方法，可以使机动到废弃轨道的燃料消耗以及废弃轨道稳定性最优，工程可实现性强。

技术领域

本发明属于北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计领域，具体涉及一种北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计方法。

背景技术

自1978美国的第一颗GPS卫星发射升空，各大国开始了自身全球导航系统的建设，包括已经建成并完全投入使用的美国GPS和俄罗斯GLONASS，还有正在部署的如欧洲Galileo和中国BDS，而这些导航系统基本上位于中地球轨道。随着新的导航卫星不断送入中轨道区域，而退役的导航卫星依旧停留在中轨道区域，一方面会增加中轨道区域的飞行物密度，另一方面，在地球非球形、日月三体引力和太阳光压等摄动影响下，废弃卫星的轨道根数会发生变化，从而有可能穿越导航卫星在轨运行轨道，给导航卫星带来碰撞风险。迫切需要寻找一种优化且可行的废弃卫星轨道设计方法，以保证导航卫星长期在轨运行的安全性。

由于推进剂限制，中轨道区域的航天器很难机动至低轨道或地球静止轨道区域。目前，GPS废弃卫星中8颗接近GPS运行轨道，2颗调整到低于GPS运行轨道，25颗机动到高于GPS运行轨道的废弃轨道上。由于没有偏心率增长控制策略，这些废弃卫星已经穿过GLONASS、GPS和BDS星座的轨道高度，并且在BDS轨道高度上有空间密度峰值。GLONASS有100个废弃卫星遗留在运行轨道，因此在GLONASS轨道高度上空间物体较为密集。Galileo有2个GIOVE分别离轨在高于Galileo轨道118和598km轨道高度上。北斗二号卫星导航系统中的4颗中轨道卫星分别于2012年4月30日、2012年9月19日发射，下一步都将面临到寿问题，如何设计北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道，是摆在我们面前一个很迫切的问题。

目前，国际上对于中轨道卫星离轨尚没有统一规范，学者对废弃轨道的研究较少。为了更好地指导北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道处置，本发明提出一种北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计方法。第一步，选定待废弃北斗导航卫星，计算离轨时刻的升交点赤径；第二步，计算废弃轨道长半轴、偏心率的取值范围；第三步，开始优化，计算从初始轨道机动到废弃轨道的燃料消耗；第四步，演化200年，得到200年后废弃轨道的长半轴、偏心率；第五步，计算废弃轨道优化目标函数；第六步，目标函数取得最优值后，输出废弃轨道的轨道参数。利用该方法，可以使机动到废弃轨道的燃料消耗以及废弃轨道稳定性最优，工程可实现性强。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：选定待废弃北斗导航卫星，计算离轨时刻的升交点赤径；

根据北斗卫星导航系统中轨道卫星的发射时间，以及卫星的理论工作寿命，计算卫星的理论到寿离轨时间；由于改变轨道升交点赤径的燃料消耗巨大，所以在离轨操作时不改变轨道升交点赤径，根据待废弃北斗导航卫星当前的轨道参数，以及中轨道卫星轨道面进动速度公式，预推得到离轨时刻的升交点赤径；

式(1)给出了中轨道卫星轨道面进动速度计算公式：

—中轨道卫星轨道面进动速度；

n—中轨道卫星的角速度；

J₂—地球非球形摄动的二阶带谐项系数J₂＝1.0826×10^-3；

e—中轨道卫星的偏心率；