CN110830103B - 一种空间卫星星群的集中推力式部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，具体为：创建母子星星群结构组合体；将星群结构组合体送入预定轨道；基于三轴定姿的星群结构组合体初始化；建立卫星星群几何构型；建立星群结构组合体内各卫星的通信策略；能够满足未来空间卫星星群的部署测控需求，以及卫星任务规划和测控资源调度等领域的应用需求。本发明针对现有星群部署技术存在的问题，提供一种成本低、精确度高、易于实现、适用性强的空间卫星星群集中推力式部署方法。

Description

一种空间卫星星群的集中推力式部署方法

技术领域

本发明属于空间卫星星群部署技术领域，具体涉及一种空间卫星星群的集中推力式部署方法。

背景技术

卫星星群是利用大量成本较低的卫星，在空间以特定的几何构型，例如长方体、球体、椭球体、锥体等，组建分布式的空间网，而整个星群构成一个大的“虚拟航天器”。由于卫星星群具有较多的优点，得到全世界各国的重视。而卫星星群的部署动力方式，直接影响卫星星群的规模，组网结构，通信方式等，因此对卫星星群部署动力方式的研究越来越有必要。

传统的动力方式，是以“串联”方式安装于火箭上，按照火箭的飞行程序，通过多次调姿，分批次实现舱体与火箭分离，入轨后进行多颗卫星再分离，各颗卫星根据星群组网需求，通过大范围轨道机动控制，到达某一空间领域，并和其他卫星维持星群构型，而后沿同一轨道运动，以此方式实现多星发射和星群部署。这种依靠组合体分步分离的方法适合一箭多星发射，但飞行程序复杂，所搭载的卫星数量有限，不适合大批量卫星星群的发射和空间部署。

传统的卫星星群组网完全主要依靠火箭的推力和卫星的机动能力，主要是以增加发射成本、依靠卫星轨控，耗用测控资源和卫星能源为代价完成的。这与未来卫星任务的增多、测控资源日益紧张的趋势是不相符的。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，能够实现一箭多星，逐步分离。

本发明采用的技术方案是，一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、创建母子星星群结构组合体；

步骤2、将星群结构组合体送入预定轨道；

步骤3、基于三轴定姿的星群结构组合体初始化；

步骤4、建立卫星星群几何构型；

步骤5、建立星群结构组合体内各卫星的通信策略。

本发明的特点还在于：

步骤1具体过程为：选取母星，以母星中心体为动力舱，四周均匀连接多个封闭管道，每个封闭管道内连接多个子星。

步骤2具体过程为：将星群结构组合体负载于火箭上，根据轨道特征和火箭的运载能力，将星群结构组合体送入预定轨道。

步骤3具体过程为：星群结构组合体采用三轴(X,Y,Z)定姿，星群结构组合体入轨过程中，进行姿态调整，进入轨道后，初始化完成姿态稳定；动力舱根据地面指令，将封闭管道中的第一批次子星送入预设空间位置，并计算地心坐标直角赤道坐标系中母星的位置和速度。

计算地心坐标直角赤道坐标系中母星的位置和速度过程为：

计算平近点角M_t：

M_t＝M+nt (1)

n为卫星的平均角速度，有：

其中，a为椭圆轨道的半长轴，G为引力常数，M为地球质量，μ＝GM＝3.986005×10¹⁴m³/s²；

根据普勒方程计算偏近点角E_t：

E_t＝M_t+esinE_t (3)

将式(1)代入开普勒方程反复迭代，直至收敛；

计算真近点角θ_t：

计算椭圆轨道半通径p：

p＝a(1-e²) (5)

式(5)中，a为母星轨道半长轴，e为偏心率；

计算母星在轨道坐标系O₁X₁Y₁Z₁中位置矢量和速度矢量：

位置矢量表示为

其中，

速度矢量表示为

其中，

计算地心坐标直角赤道坐标系中母星位置矢量和速度矢量：

母星位置矢量：

母星速度矢量：

其中，

则

步骤4具体过程为：母星根据地面指令，以母星质心为中心按一定的规则自旋α或β或γ角度，计算推力部署下各批子星轨道根数，根据各批轨道根数，建立卫星星群几何构型。

计算推力部署下各批子星轨道根数具体过程为：

计算子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量

根据子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量

计算：

1)计算子星轨道半长轴a′：

由轨道能量守恒活力公式

可求得半长轴:

2)子星轨道偏心率e′：

动量矩矢量

则椭圆轨道半通径

由此可求得偏心率：

3)子星轨道t时刻真近点角θ′_t：

由椭圆轨道方程

得：

e′cosθ′_t＝p′_tg/r′_tg-1 (10)；

又由矢量标积

得：

由以上两式可唯一确定真近点角θ′_t；

4)子星轨道t时刻平近点角M′_t：

由公式

可求得偏近点角E′_t，则：

M′_t＝E′_t-e′sinE′_t (12)；

5)子星轨道倾角i′和升交点赤经Ω′：

令地心赤道直角坐标系OXYZ沿X轴、Y轴、Z轴的单位矢量分别为

子星轨道法向单位矢量为

动量矩矢量

指向轨道法向，所以有：

进而可求得：

6)子星轨道近地点幅角ω′

令子星轨道有地心指向升交点的单位矢量为

则：

由

可唯一确定近地点幅角ω′；

通过1)-6)确定各批子星的轨道参数，根据轨道参数确定推力部署下各批子星轨道根数。

计算子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量

具体过程为：在星群坐标系中，设子星的发射速度为(v′_0x,v′_0y,v′_0z)^T，则：

由于子星在空间自由运行中仅受地球引力作用，且引力指向X轴负方向，其它方向不受力作用，因此子星在t时刻的位置和速度为：

子星相对母星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量为：

则子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量为：

步骤5具体过程为：结合卫星星群几何构型，针对母星特点和任务需求，采用“子--母”星星间链路和“子--子”星星间链路通信共同传输策略，完成对整个星群的测控。

本发明的有益效果是：

1.本发明面向卫星星群在空间的部署方法，成本低、易于实现，不仅继承了一箭多星逐步分离的传统方法，还进一步能够满足未来大批量卫星发射部署需求，最大限度的发挥了火箭的运载能力。

2.本发明将卫星的三轴定姿和自旋特点融入到方法当中，建立了星群构型。

3.本发明基于“子--母”星星间链路和“子--子”星星间链路通信共同传输策略，提高了通信效率和测控能力。

4.本发明不仅适用于空间卫星星群部署，也适用于天基对抗、天基操控等技术。

5.本发明采用创建“母子星”星群结构组合体、星群结构组合体入轨分离、基于三轴定姿的母星初始化、建立星群几何构型、卫星星群通信策略五个环节，实现了满足未来空间卫星星群的部署测控需求，能够较好地满足卫星任务规划和测控资源调度等领域的应用需求。

附图说明

图1是本发明一种空间卫星星群的集中推力式部署方法流程图；

图2是“母子星”星群结构组合体的结构示意图；

图3是“母子星”星群轨道示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、创建母子星星群结构组合体：

选取母星，如图2所示，以母星中心体为动力舱，四周均匀连接多个封闭管道，每个封闭管道内连接多个子星，多个子星位于与动力舱连通的封闭管道内，在母星周围呈均匀分布。

步骤2、将星群结构组合体送入预定轨道：

将星群结构组合体负载于火箭上，根据轨道特征和火箭的运载能力，将星群结构组合体送入预定轨道。

如图3所示，通常将地心赤道直角坐标系OXYZ作为惯性坐标系，坐标原点O位于地球质心，OZ轴为地球自转轴，指向北极方向，OXY平面为地球赤道面，OX轴指向春分点，OY轴与OX轴和OZ轴构成右手系。

建立星群坐标系O₁X₁Y₁Z₁(转动坐标系)，坐标原点位于母星质心，Z₁轴指向轨道面正法向，X₁,Y₁轴位于轨道平面上，X₁轴为母星与地心连线，指向母星方向，Y₁轴与X₁轴垂直，与X₁,Z₁轴构成右手系。

已知子星发射时刻，母星轨道半长轴为a，偏心率为e，轨道倾角为i，升交点赤经为Ω，近地点幅角为ω，平近点角为M。

设子星发射时刻，母星轨道真近点角为θ，偏近点角为E。

设任意一颗子星在星群坐标系中的发射速度矢量为

与三轴的夹角为(ε_x,ε_y,ε_z)；子星在空间自由运行，仅受地球引力作用，设引力加速度为g；设子星自由运行时间t后，制动定位，设此时母星轨道平近点角为M_t，近点角为θ_t，偏近点角为E_t，设子星轨道半长轴为a′，偏心率为e′，轨道倾角为i′，升交点赤经为Ω′，近地点幅角为ω′，此时平近点角为M′_t，真近点角为θ′_t，偏近点角为E′_t。

步骤3、基于三轴定姿的星群结构组合体初始化：

星群结构组合体采用三轴(X,Y,Z)定姿和自旋特点，建立星群构型，星群结构组合体入轨过程中，进行姿态调整，进入轨道后，初始化完成姿态稳定，母星动力舱根据地面指令，将封闭管道中的第一批次子星送入预设空间位置，并计算地心坐标直角赤道坐标系中母星的位置和速度。

计算地心坐标直角赤道坐标系中母星的位置和速度过程为：

计算平近点角M_t：

M_t＝M+nt (1)

n为卫星的平均角速度，有：

其中，a为椭圆轨道的半长轴，G为引力常数，M为地球质量，μ＝GM＝3.986005×10¹⁴m³/s²；

根据普勒方程计算偏近点角E_t：

E_t＝M_t+esinE_t (3)

将式(1)代入开普勒方程反复迭代，直至收敛；

计算真近点角θ_t：

计算椭圆轨道半通径p：

p＝a(1-e²) (5)

式(5)中，a为母星轨道半长轴，e为偏心率；

计算母星在轨道坐标系O₁X₁Y₁Z₁中位置矢量和速度矢量：

位置矢量表示为

其中，

速度矢量表示为

其中，

计算地心坐标直角赤道坐标系中母星位置矢量和速度矢量：

母星位置矢量：

母星速度矢量：

其中，

则

步骤4、建立卫星星群几何构型：

母星根据地面指令，以母星质心为中心按一定的规则自旋α或β或γ角度，计算推力部署下各批子星轨道根数：

在星群坐标系中，设子星的发射速度为(v′_0x,v′_0y,v′_0z)^T，则：

由于子星在空间自由运行中仅受地球引力作用，且引力指向X轴负方向，其它方向不受力作用，因此子星在t时刻的位置和速度为：

子星相对母星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量为：

则子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量为：

根据子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量

计算：

1)计算子星轨道半长轴a′：

由轨道能量守恒活力公式

可求得半长轴:

2)子星轨道偏心率e′：

动量矩矢量

则椭圆轨道半通径

由此可求得偏心率：

3)子星轨道t时刻真近点角θ′_t：

由椭圆轨道方程

得：

e′cosθ′_t＝p′_tg/r′_tg-1 (10)；

又由矢量标积

得：

由以上两式可唯一确定真近点角θ′_t；

4)子星轨道t时刻平近点角M′_t：

由公式

可求得偏近点角E′_t，则：

M′_t＝E′_t-e′sinE′_t (12)；

5)子星轨道倾角i′和升交点赤经Ω′：

令地心赤道直角坐标系OXYZ沿X轴、Y轴、Z轴的单位矢量分别为

子星轨道法向单位矢量为

动量矩矢量

指向轨道法向，所以有：

进而可求得：

6)子星轨道近地点幅角ω′

令子星轨道有地心指向升交点的单位矢量为

则：

由

可唯一确定近地点幅角ω′；

通过1)-6)确定各批子星的轨道参数，根据轨道参数确定推力部署下各批子星轨道根数，根据各批轨道根数，建立卫星星群几何构型。

步骤5、建立星群结构组合体内各卫星的通信策略：

结合卫星星群几何构型，针对母星特点和任务需求，采用“子--母”星星间链路和“子--子”星星间链路通信共同传输策略，完成对整个星群的测控。

通过上述方式，本发明面向卫星星群在空间的部署方法，成本低、易于实现，不仅继承了一箭多星逐步分离的传统方法，还进一步能够满足未来大批量卫星发射部署需求，最大限度的发挥了火箭的运载能力。本发明将卫星的三轴定姿和自旋特点融入到方法当中，建立了星群构型。本发明基于“子--母”星星间链路和“子--子”星星间链路通信共同传输策略，提高了通信效率和测控能力。本发明不仅适用于空间卫星星群部署，也适用于天基对抗、天基操控等技术。本发明采用创建“母子星”星群结构组合体、星群结构组合体入轨分离、基于三轴定姿的母星初始化、建立星群几何构型、卫星星群通信策略五个环节，实现了满足未来空间卫星星群的部署测控需求，能够较好地满足卫星任务规划和测控资源调度等领域的应用需求。

Claims (6)

1.一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、创建母子星星群结构组合体；

步骤2、将星群结构组合体送入预定轨道；

步骤3、基于三轴定姿的星群结构组合体初始化；步骤3具体过程为：星群结构组合体采用三轴(X,Y,Z)定姿，星群结构组合体入轨过程中，进行姿态调整，进入轨道后，初始化完成姿态稳定；动力舱根据地面指令，将封闭管道中的第一批次子星送入预设空间位置，并计算地心坐标直角赤道坐标系中母星的位置和速度；

所述计算地心坐标直角赤道坐标系中母星的位置和速度过程为：

计算平近点角M_t：

M_t＝M+nt (1)

n为卫星的平均角速度，有：

其中，a为椭圆轨道的半长轴，G为引力常数，M为地球质量，μ＝GM＝3.986005×10¹⁴m³/s²；

根据开普勒方程计算偏近点角E_t：

E_t＝M_t+esinE_t (3)

将式(1)代入开普勒方程反复迭代，直至收敛；

计算真近点角θ_t：

计算椭圆轨道半通径p：

p＝a(1-e²) (5)

式(5)中，a为母星轨道半长轴，e为偏心率；

计算母星在轨道坐标系O₁X₁Y₁Z₁中位置矢量和速度矢量：

位置矢量表示为

其中，

速度矢量表示为

其中，

计算地心坐标直角赤道坐标系中母星位置矢量和速度矢量：

母星位置矢量：

母星速度矢量：

其中，

则

步骤4、建立卫星星群几何构型；步骤4具体过程为：母星根据地面指令，以母星质心为中心按一定的规则自旋α或β或γ角度，计算推力部署下各批子星轨道根数，根据各批轨道根数，建立卫星星群几何构型；

步骤5、建立星群结构组合体内各卫星的通信策略。

2.根据权利要求1所述一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，其特征在于，步骤1具体过程为：选取母星，以母星中心体为动力舱，四周均匀连接多个封闭管道，每个封闭管道内连接多个子星。

3.根据权利要求1所述一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，其特征在于，步骤2具体过程为：将星群结构组合体负载于火箭上，根据轨道特征和火箭的运载能力，将星群结构组合体送入预定轨道。

4.根据权利要求1所述一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，其特征在于，所述计算推力部署下各批子星轨道根数具体过程为：

计算子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量

根据子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量

计算：

1)计算子星轨道半长轴a′：

由轨道能量守恒活力公式

可求得半长轴:

2)子星轨道偏心率e′：

动量矩矢量

则椭圆轨道半通径

由此可求得偏心率：

3)子星轨道t时刻真近点角θ′_t：

由椭圆轨道方程

得：

e′cosθ′_t＝p′_tg/r′_tg-1 (10)；

又由矢量标积

得：

由以上两式可唯一确定真近点角θ′_t；

4)子星轨道t时刻平近点角M′_t：

由公式

可求得偏近点角E′_t，则：

M′_t＝E′_t-e′sinE′_t (12)；

5)子星轨道倾角i′和升交点赤经Ω′：

令地心赤道直角坐标系OXYZ沿X轴、Y轴、Z轴的单位矢量分别为

子星轨道法向单位矢量为

动量矩矢量

指向轨道法向，所以有：

进而可求得：

6)子星轨道近地点幅角ω′

令子星轨道有地心指向升交点的单位矢量为

则：

由

可唯一确定近地点幅角ω′；

通过1)-6)确定各批子星的轨道参数，根据轨道参数确定推力部署下各批子星轨道根数。

5.根据权利要求4所述一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，其特征在于，所述计算子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量

具体过程为：在星群坐标系中，设子星的发射速度为(v′_0x,v′_0y,v′_0z)^T，则：

由于子星在空间自由运行中仅受地球引力作用，且引力指向X轴负方向，其它方向不受力作用，因此子星在t时刻的位置和速度为：

子星相对母星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量为：

则子星在地心赤道直角坐标系中的位置矢量为：

6.根据权利要求1所述一种空间卫星星群的集中推力式部署方法，其特征在于，步骤5具体过程为：结合卫星星群几何构型，针对母星特点和任务需求，采用“子--母”星星间链路和“子--子”星星间链路通信共同传输策略，完成对整个星群的测控。

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