[发明专利]基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法

说明书

本发明涉及到一种航天器轨道技术领域内的基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤1、建立高精度的轨道动力学模型，完成地月转移窗口搜索和奔月轨道初步设计；步骤2、建立月球借力轨道模型，绘制借力后返回轨道的关键参数等高线图，为借力参数优化设计提供初值；步骤3、利用绘制的等高线图和返回轨道设计约束，对借力参数进行优化，完成借力返回轨道设计。本发明有效解决了月球借力参数快速优化设计难题，为GEO卫星应急转移方案快速制定提供了有效的方法，数值计算结果显示了该方法的有效性。

技术领域

本发明涉及到航天器轨道技术领域，尤其涉及到航天器近地轨道与月球借力飞行轨道优化设计方法。

背景技术

地球静止轨道(GEO)卫星在任务期间有两个主要阶段，一是地球同步转移轨道(GTO)到GEO的转移，二是GEO轨道任务执行阶段。卫星从GTO到GEO的转移涉及大幅度的轨道倾角改变和近地点抬升，需要消耗的燃料量较大，通常接近于卫星干重。因此，运载火箭在上升过程一旦出现故障，未能将卫星送入预定的GTO轨道，那么卫星将有可能由于燃料不够而无法进入GEO轨道，造成任务失败。月球借力轨道是解决GEO卫星应急转移的有效技术之一。例如，1997年的“亚洲三号”通信卫星利用月球借力，实现了从倾角为51.2°的GTO到轨道倾角仅为几度的GEO转移，挽救行动取得了成功。GEO卫星应急转移方案的制定具有突出的紧迫性特点，对应急轨道初步方案的快速设计提出了迫切的需求。现有技术探索了基于圆锥曲线拼接模型和三体模型的GEO卫星应急转移轨道设计方案，但是存在模型复杂、变量多等缺点，不利于应急转移轨道快速设计。

经对现有技术的检索，中国发明专利CN201810358047.3，发明名称为一种GEO卫星的智能自主运行系统，其特征是，包括如下步骤：步骤1)系统初始化；步骤2)读取GEO卫星与其它导航卫星之间的测距和测角数据；步骤3)利用观测数据计算观测残差，作为利用深度神经网络设计的摄动估计神经网络和神经网络鲁棒项模块的输入；步骤4)摄动估计神经网络利用GEO卫星的观测残差作为输入，对摄动加速度udx、udy、udz和未建模摄动项进行估计，用于补偿相对运动模型；步骤5)神经网络鲁棒项模块以GEO卫星的观测残差作为输入，输出一个鲁棒项；步骤6)读取控制量加上摄动估计神经网络和神经网络鲁棒项模块的输出作为输入，利用神经网络状态观测器，基于动力学模型：x,y,z分别为GEO卫星相对于标称轨道的相对运动状态在以标称轨道为坐标原点的动坐标系的三个坐标轴分量；n为GEO卫星标称轨道的旋转角速度，等于地球的自转角速度；r标为GEO卫星轨道半径；udx、udy、udz分别是三个坐标轴上的摄动加速度，ucx、ucy、ucz为三个坐标轴上的控制量；μ为地球引力系数；确定GEO卫星的相对运动状态，结合已知的标称状态输出GEO卫星的估计状态；步骤7)利用神经网络控制器所实现的控制律，计算控制量；步骤8)将控制量输入给GEO卫星，得到新的卫星状态，并得到新状态对应的新的观测数据；步骤9)返回步骤2)，循环运行自主运行系统。但未能有效解决GEO卫星应急转移轨道设计变量多、优化难度大等问题。

发明内容

本发明的目的是针对GEO卫星应急转移问题，提出一种基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速初步设计方法。本发明能够有效解决GEO卫星应急转移轨道设计变量多、优化难度大等问题，为GEO卫星应急转移轨道快速优化设计与分析提供有益的参考。

实现本发明的技术方案如下：

本发明一种基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1、建立高精度的轨道动力学模型，完成地月转移窗口搜索和奔月轨道初步设计；

步骤2、建立月球借力轨道模型，绘制借力后返回轨道的关键参数等高线图，为借力参数优化设计提供初值；

步骤3、利用绘制的等高线图和返回轨道设计约束，对借力参数进行优化，完成借力返回轨道设计。

上述技术方案中，步骤1具体包括：