CN106125759B - 一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系‑库仑力混合卫星编队方法,涉及混合卫星编队方法,属于卫星编队领域。本发明通过将N颗主星和两颗辅星发射入轨;借助收放装置逐步放出绳子,在重力梯度力作用下,最终使两颗辅星分别位于主星平面的铅垂正上方和正下方;绳子释放到预定长度时,通过电子枪使各主星带同种电荷且电量相等,在库伦力的排斥作用下主星向四周分开至N颗主星位于地球静止轨道附近,构成面向地球的多边形编队构型;当编队构型需要改变时,通过调节各主星的带电量控制和改变编队平衡构型。本发明可实现多星共位编队,拓展地球静止轨道卫星容量,还可降低编队维持和重构控制的燃料消耗。本发明在对地干涉测量方面也有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,涉及一种混合卫星编队方法,尤其涉及一种用于地球静止轨道上的混合卫星编队方法,属于卫星编队技术领域。
背景技术
地球静止轨道是赤道上空约35800km高度与地球同步自转的圆轨道,在该轨道上运行的卫星保持对地静止,且能够几乎覆盖半个地球,因此在通信、遥感、导航、预警、数据中继和气象等民用和军用领域应用广泛(梁斌,徐文福,李成,刘宇.地球静止轨道在轨服务技术研究现状与发展趋势[J].宇航学报.2010,31(1):1-13)。
典型的地球静止轨道卫星的定点精度为±0.1°,结合避撞和防干扰等要求可知,理论上静止轨道容纳卫星的数量上限是1800颗。然而实际上,宝贵的静止轨道资源远比此要紧张。一方面,近几十年来人类不受节制的航天活动在静止轨道附近产生了大量的空间碎片(废弃卫星、火箭上面级、爆炸物等);另一方面,出于备份星或所在区域国家的应用要求,需要多颗星共享同一定点经度。为了缓解地球静止卫星轨位紧张的问题,学者们提出了双星或多星共位概念,并设计了共位控制策略(李恒年,高益军,余培军,李济生,黄永宣.地球静止轨道共位控制策略研究[J].宇航学报.2009,30(3):967-973)。对静止轨道卫星的共位控制需要消耗燃料,这对卫星的在轨寿命产生了一定的影响。另外,目前已知的共位控制策略主要针对四颗星以下的共位编队,当共位卫星较多时,控制策略非常复杂,燃料消耗巨大,难以设计实现。
上世纪六十年代,Cover等人首次提出利用库伦力来展开反射膜结构(Cover,J.H.,Knauer,W.,and Maurer,H.A.Lightweight Reflecting Structures UtilizingElectrostatic Inflation.U.S.Patent 3,546,706,Oct.1966.)。随后,该创新概念被应用于地球静止轨道附近的编队飞行任务设计。通过主动释放负电子或正离子可以使航天器自身带电,从而在航天器间产生库伦力,进而可控制航天器的相对运动。因为使航天器带电的过程几乎不消耗燃料,因此库伦力对应的比冲可以达到1013s,且不会产生任何羽流污染。
如果将库伦编队概念与经典的绳系编队概念进行结合,则有可能设计出静止轨道上的无需燃料消耗的共位编队。通过绳连接实现整个编队系统的重力梯度稳定,通过库伦排斥力使各航天器处于静平衡位置,从而保持对地静止,极大的拓展静止轨道的卫星容量。
发明内容
针对地球静止轨道星位资源紧张的问题,本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,要解决的技术问题是实现多星共位编队,拓展地球静止轨道卫星容量,同时,可降低编队维持和重构控制的燃料消耗。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,通过将N颗主星和两颗辅星一起发射进入地球静止轨道,所述的两颗辅星通过绳子与每颗主星相连接。借助绳子收放装置逐步放出绳子,在重力梯度力的拉拽作用下,控制两颗辅星分别向铅垂方向的上方和下方同步运动,最终使两颗辅星分别位于主星平面的铅垂正上方和正下方。所述的N颗主星上均安装有通过发射电子使自身带电的电子枪,绳子释放到预定长度时,通过电子枪使各主星带同种电荷且电量相等,在库伦力的排斥作用下主星向四周分开至N颗主星位于地球静止轨道附近,构成多边形构型,编队平面面向地球,所述的卫星编队平衡构型通过库伦排斥力和重力梯度力共同维持。
当卫星编队构型需要改变时,通过调节各主星的带电量精确控制和改变编队平衡构型。
本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法。由于卫星编队平衡构型能够通过调节各主星带电量来改变编队构型,即根据实际应用的需求进行编队重构,从而在对地干涉测量方面也有潜在的应用价值。
本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,包括如下步骤:
步骤一:将N颗主星和两颗辅星一起发射进入地球静止轨道。
所述的N颗主星的数量N根据卫星共位编队实际应用需求而定。
步骤二:释放绳子和部署辅星。
两颗辅星通过绳子与每颗主星相连接,借助绳子收放装置逐步放出绳子,在重力梯度力的拉拽作用下,控制两颗辅星分别向铅垂方向的上方和下方同步运动,直至两颗辅星分别位于主星平面的铅垂正上方和正下方。
步骤三:使每颗主星带电,借助辅星产生的重力梯度稳定效应和主星间的库伦排斥力实现卫星编队平衡构型。
绳子释放到预定长度时,辅星在N根绳子的拉力和重力梯度力的作用下实现平衡,力平衡关系满足公式(1),
N·Ftcosθ=3mAlAΩ2 (1)
其中,N为主星个数;Ft为绳子张力;θ是绳子与铅垂方向的夹角;mA是辅星的质量;lA是辅星到编队中心的距离;Ω是地球静止轨道角速度。
通过电子枪使各主星带同种电荷且电量相等,在库伦力的排斥作用下主星向四周分开至N颗主星位于地球静止轨道附近,每颗主星在分别与辅星连接的两根绳子的拉力和其余主星的库伦排斥力的作用下实现平衡,力平衡关系满足公式(2),
其中,N为主星个数;Ft为绳子张力;θ是绳子与铅垂方向的夹角;kc是库伦静电常数;q是每颗主星的带电量;ld是主星到编队中心的距离。
联立(1)和(2)可解出主星带电量q和编队几何参数ld之间的数学关系如公式(3),
其中,δ表示一个求和项,δ的数值根据主星数量N的奇偶性而有所不同。
每颗主星和两颗辅星在绳子拉力和库伦排斥力的共同作用下实现平衡即构成多边形构型卫星编队,编队平面面向地球。
当卫星编队构型需要改变时,还包括步骤四:通过调节各主星的带电量,改变重力梯度力和库伦排斥力之间的旧平衡,建立起新平衡,新平衡中主星带电量q和编队几何参数ld之间的数学关系也需满足公式(3),从而实现精确控制和改变编队平衡构型。
由于本发明中的卫星编队平衡构型能够根据实际应用需求进行重构,从而在对地干涉测量方面也有潜在的应用价值。
有益效果:
1、本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,可以充分利用重力梯度力和库伦力来达到系统的整体平衡和稳定,无需借助发动机进行编队维持,无需设计共位控制策略,只需通过电子枪使航天器带电,因此,比冲可以达到1013s,极大的降低任务燃料消耗,且理论上能够应用于任意数量的静止轨道卫星共位编队,提升共位星数量上限。
2、本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,不需要消耗任何化学推进剂,因此不会产生任何羽流污染。
3、本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,相比于传统的纯绳系编队,不仅能够实现静平衡,而且仅通过调节各主星的带电量就可精确控制和改变编队构型,从而在对地干涉测量方面也有潜在的应用价值。
附图说明
图1本发明构建的绳系-库仑力混合卫星编队系统的示意图;
图2为本发明公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法的工作流程图;
图3为上方辅星的力平衡示意图;
图4为主星的力平衡示意图;
图5为实施例(N=5)中各主星到编队中心的距离的时间历程;
图6为实施例(N=5)中相邻主星间夹角的时间历程;
图7为实施例(N=8)中各主星到编队中心的距离的时间历程;
图8为实施例(N=8)中相邻主星间夹角的时间历程。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
实施例1:
为了验证方法的可行性,选择由五颗主星和两颗辅星组成的混合编队系统,即N=5。编队的几何和物理参数列在表1中。
表1编队的几何和物理参数
主星和中心的距离l<sub>d</sub> | 50m |
辅星和中心的距离l<sub>A</sub> | 10000m |
轨道角速度Ω | 7.2915×10<sup>-5</sup>rad/s |
库伦静电常数k<sub>c</sub> | 8.988×10<sup>9</sup>Nm<sup>2</sup>/C<sup>2</sup> |
辅星质量m<sub>A</sub> | 1000kg |
绳子刚度系数 | 22.1N/m |
绳子阻尼系数 | 0.245kg/s |
本实施例公开的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,包括如下步骤:
针对N=5的地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队,可按照以下步骤进行部署展开:
步骤一:将N颗主星和两颗辅星一起发射进入地球静止轨道;
步骤二:借助绳子收放装置逐步放出绳子,在重力梯度力的拉拽作用下,控制两颗辅星分别向铅垂方向的上方和下方同步运动,当绳长达到米时,停止释放绳子;
步骤三:通过电子枪使各主星带同种电荷且电量相等,由公式(3)可算出各主星的带电量为8.029×10-6C。在库伦力的排斥作用下,主星向四周分开。
辅星在N根绳子的拉力和重力梯度力的作用下实现平衡,每颗主星在两根绳子的拉力和其余主星的库伦排斥力的作用下实现平衡。附图5绘出了每颗主星与编队中心距离的时间历程,可以看到该距离在其名义值50米和49.5米之间做微幅振荡。附图6绘出了相邻主星间的夹角的时间历程,每个夹角均保持在其名义值72°附近做微幅振荡。由此可见,该编队系统接近于静平衡状态,每颗主星相对于地球均近似处于静止状态。
为了实现卫星编队构型变化,还包括步骤四:比如改变每颗主星与编队中心的距离ld,可以通过调整主星电量q来实现。q和ld的函数关系由公式(3)表示。不同的卫星编队构型ld所需的主星带电量q由表2给出。
由于本实施例中的卫星编队平衡构型能够根据实际应用需求进行重构,从而在对地干涉测量方面也有潜在的应用价值。
表2编队构型的几何参数和主星带电量的对应关系
主星和中心的距离l<sub>d</sub> | 主星带电量q |
10m | 7.181×10<sup>-7</sup>C |
50m | 8.029×10<sup>-6</sup>C |
90m | 1.939×10<sup>-5</sup>C |
130m | 3.366×10<sup>-5</sup>C |
170m | 5.034×10<sup>-5</sup>C |
210m | 6.911×10<sup>-5</sup>C |
实施例2:
为了验证方法的可行性,选择由八颗主星和两颗辅星组成的混合编队系统,即N=8。编队的几何和物理参数参见前述表1。
针对N=8的地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队,可按照以下步骤进行部署展开:
步骤一:将N颗主星和两颗辅星一起发射进入地球静止轨道;
步骤二:借助绳子收放装置逐步放出绳子,在重力梯度力的拉拽作用下,控制两颗辅星分别向铅垂方向的上方和下方同步运动,当绳长达到米时,停止释放绳子;
步骤三:通过电子枪使各主星带同种电荷且电量相等,由公式(3)可算出各主星的带电量为4.446×10-6C。在库伦力的排斥作用下,主星向四周分开。
辅星在N根绳子的拉力和重力梯度力的作用下实现平衡,每颗主星在两根绳子的拉力和其余主星的库伦排斥力的作用下实现平衡。附图7绘出了每颗主星与编队中心距离的时间历程,可以看到该距离在其名义值50米和49米之间做微幅振荡。附图8绘出了相邻主星间的夹角的时间历程,每个夹角均保持在其名义值45°附近做微幅振荡。由此可见,该编队系统接近于静平衡状态,每颗主星相对于地球均近似处于静止状态。
为了实现卫星编队构型变化,还包括步骤四:比如改变每颗主星与编队中心的距离ld,可以通过调整主星电量q来实现。q和ld的函数关系由公式(3)表示。不同的卫星编队构型ld所需的主星带电量q由表3给出。
表3编队构型的几何参数和主星带电量的对应关系
主星和中心的距离l<sub>d</sub> | 主星带电量q |
10m | 3.977×10<sup>-7</sup>C |
50m | 4.446×10<sup>-6</sup>C |
90m | 1.074×10<sup>-5</sup>C |
130m | 1.864×10<sup>-5</sup>C |
170m | 2.788×10<sup>-5</sup>C |
210m | 3.827×10<sup>-5</sup>C |
由于本实施例中的卫星编队平衡构型能够根据实际应用需求进行重构,从而在对地干涉测量方面也有潜在的应用价值。
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,其特征在于:包括如下步骤,
步骤一:将N颗主星和两颗辅星一起发射进入地球静止轨道;
步骤二:释放绳子和部署辅星;
两颗辅星通过绳子与每颗主星相连接,借助绳子收放装置逐步放出绳子,在重力梯度力的拉拽作用下,控制两颗辅星分别向铅垂方向的上方和下方同步运动,直至两颗辅星分别位于主星平面的铅垂正上方和正下方;
步骤三:使每颗主星带电,借助辅星产生的重力梯度稳定效应和主星间的库伦排斥力实现卫星编队平衡构型。
2.根据权利要求1所述的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,其特征在于:
所述的步骤三具体实现方法为,
绳子释放到预定长度时,辅星在N根绳子的拉力和重力梯度力的作用下实现平衡,力平衡关系满足公式(1),
N·Ftcosθ=3mAlAΩ2 (1)
其中,N为主星个数;Ft为绳子张力;θ是绳子与铅垂方向的夹角;mA是辅星的质量;lA是辅星到编队中心的距离;Ω是地球静止轨道角速度;
通过电子枪使各主星带同种电荷且电量相等,在库伦力的排斥作用下主星向四周分开至N颗主星位于地球静止轨道附近,每颗主星在分别与辅星连接的两根绳子的拉力和其余主星的库伦排斥力的作用下实现平衡,力平衡关系满足公式(2),
其中,N为主星个数;Ft为绳子张力;θ是绳子与铅垂方向的夹角;kc是库伦静电常数;q是每颗主星的带电量;ld是主星到编队中心的距离;
联立(1)和(2)可解出主星带电量q和主星到编队中心的距离ld之间的数学关系如公式(3),
其中,δ表示一个求和项,δ的数值根据主星数量N的奇偶性而有所不同;
每颗主星和两颗辅星在绳子拉力和库伦排斥力的共同作用下实现平衡即构成多边形构型卫星编队,编队平面面向地球。
3.根据权利要求1或2所述的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,其特征在于:当卫星编队构型需要改变时,还包括步骤四,
通过调节各主星的带电量,改变重力梯度力和库伦排斥力之间的旧平衡,建立起新平衡,新平衡中主星带电量q和主星到编队中心的距离ld之间的数学关系也需满足公式(3),从而实现精确控制和改变编队平衡构型。
4.根据权利要求3所述的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,其特征在于:所述的N颗主星的数量N根据卫星共位编队实际应用需求而定。
5.一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,其特征在于:通过将N颗主星和两颗辅星一起发射进入地球静止轨道,所述的两颗辅星通过绳子与每颗主星相连接;借助绳子收放装置逐步放出绳子,在重力梯度力的拉拽作用下,控制两颗辅星分别向铅垂方向的上方和下方同步运动,最终使两颗辅星分别位于主星平面的铅垂正上方和正下方;所述的N颗主星上均安装有通过发射电子使自身带电的电子枪,绳子释放到预定长度时,通过电子枪使各主星带同种电荷且电量相等,在库伦力的排斥作用下主星向四周分开至N颗主星位于地球静止轨道附近,构成多边形构型,编队平面面向地球,所述的卫星编队平衡构型通过库伦排斥力和重力梯度力共同维持。
6.根据权利要求5所述的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,其特征在于:当卫星编队构型需要改变时,通过调节各主星的带电量精确控制和改变编队平衡构型。
7.根据权利要求5所述的一种地球静止轨道上的绳系-库仑力混合卫星编队方法,其特征在于:所述的N颗主星的数量N根据卫星共位编队实际应用需求而定。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |