[发明专利]一种静止轨道卫星变轨策略优化方法

摘要

一种静止轨道卫星变轨策略优化方法，一是确定变轨次数、变轨圈次及各次变轨的控制量；二是确定各次变轨的时间和推力方向。目前静止轨道卫星的发射过程通常是，首先由运载火箭将卫星发射到一个带有倾角的大椭圆转移轨道，然后通过卫星自身所带的液体发动机进行若干次远/近地点变轨，转移至地球同步轨道，最后通过轨道倾角修正和圆化实现静止轨道。从转移轨道经过若干次远/近地点变轨实现静止轨道对卫星而言操作比较复杂，因此变轨次数一般不宜设置过多，以免增加变轨的复杂性和风险；另一方面，考虑到卫星的液体发动机能力以及变轨期间的弧段损失等因素，变轨次数也不宜太少。

主权项

1.一种静止轨道卫星变轨策略优化方法，其特征在于步骤如下：(1)确定卫星从当前轨道出发到目标轨道所需要的变轨次数n，具体通过如下步骤进行：(1.1)通过公式计算从当前轨道以脉冲方式机动至目标轨道所需总速度增量dv，其中，v₀和v₁变轨前后卫星在远地点的速度，且其中，μ为地心引力常数，r_a为卫星处于远地点的地心距离；a₀，a₁表示卫星所处当前轨道的半长轴；δ表示两轨道面夹角；(1.2)通过公式dm＝m₀(1-exp(-dv/Isp/g))计算从当前轨道机动至目标轨道所需推进剂质量dm，其中，m₀为起飞重量，I_sp为发动机比冲，g为重力常数；(1.3)通过公式dt＝dm/(F/Isp/g)计算从当前轨道机动至目标轨道发动机所需工作时间dt，其中，F表示发动机推力；(1.4)根据步骤(1.3)中得到的从当前轨道机动至目标轨道发动机所需工作时间dt估算从目标轨道机动至目标轨道所需变轨次数n，在满足变轨次数尽可能少的前提下，使发动机平均工作时间控制在指标T_engine之内，指标T_engine可由发动机单次点火时间长度限制值除以1.5得到；(2)确定各次变轨的发动机熄火条件a_i及相邻两次变轨之间的漂移圈数q_i，所述熄火条件a_i即为轨道半长轴的大小，具体通过如下步骤进行：(2.1)根据预定的入轨参数确定转移轨道类型为同步转移轨道或者超同步转移轨道；(2.2)对于同步转移轨道，确定首次变轨和末次变轨的熄火条件a_i及漂移圈数q_i，同步转移轨道变轨包括若干次远地点变轨，超同步转移轨道变轨包括若干次远地点变轨和一次近地点变轨；对于超同步转移轨道，确定首次变轨和最后两次变轨的熄火条件及漂移圈数；对于同步转移轨道或者超同步转移轨道，根据漂移圈数确定原则，由λ₀，可确定首次远地点变轨的漂移圈数q₁，λ₀，分别为同步转移轨道和超同步转移轨道在星箭分离时刻卫星的星下点地理经度和经度漂移率，λ₀，均根据转移轨道参数计算，是通过转移轨道类型可直接确定的数据；所述漂移圈数确定原则为：两次变轨之间卫星漂移圈数最少、每次变轨均在地面测控范围内进行以及最终实现目标轨道；同步转移轨道和超同步转移轨道卫星变轨首次变轨的熄火条件的确定原则是：在发动机单次工作时间范围内使半长轴尽可能大，即使得熄火条件尽可能大；对于同步转移轨道，末次变轨为远地点变轨，有：λ′_obj＝λ_obj，度/圈，熄火条件a_n′为同步轨道半长轴42164km，根据漂移圈数确定原则q_n′为1圈；对于超同步转移轨道末次远地点变轨，即倒数第二次变轨，有：λ′_obj＝λ_obj+20°，发动机熄火条件a_n′由超同步转移轨道参数计算得到，根据漂移圈数确定原则q_n′为1圈；λ′_obj为第n′次变轨的星下点地理经度，为第n′次变轨结束后的经度漂移率，λ_obj表示最终定点轨位，n′表示末次远地点变轨；对于超同步转移轨道，末次变轨为近地点变轨：变轨的星下点经度为卫星定点轨位，经度漂移率为0度/圈，末次变轨的发动机熄火条件a_n为42164km，根据漂移圈数确定原则q_n为0.5圈；(2.3)确定其余的变轨熄火条件及漂移圈数；在约束条件下，根据λ₀、q₁、λ_n′和确定余下的变轨熄火条件及漂移圈数；λ_n′是指第n′次变轨的星下点经度，是指第n′次变轨结束后的经度漂移率，所述约束条件是指是两次变轨之间圈数最少、变轨点在地面测控范围内以及发动机单次工作时间不超自身限制；(3)确定每次变轨的点火方向δ_i和点火时刻t_i，具体步骤如下：.(3.1)以点火方向δ_i和点火时刻t_i为优化参数，定义优化目标函数F(X)为F(X)＝Δm_i(t_i，δ_i)+Δm_R，其中，Δm_i表示第i次变轨所需推进剂，Δm_R表示从第i次变轨后的轨道出发到达目标轨道所需推进剂，(3.2)以公式F(X)＝Δm_i(t_i，δ_i)+Δm_R所计算的推进剂消耗量F(X)最小为原则确定各点火方向和点火时刻；(4)根据步骤(1)中得到的变轨次数、步骤(2)中得到的各次变轨的发动机熄火条件、相邻两次变轨之间的漂移圈数、步骤(3)中得到的每次变轨的点火方向和点火时刻计算n次变轨后所实现的目标轨道，并计算其轨位，根据其与所需定点轨位的差值Δλ，对第2次变轨熄火条件进行调整。