CN111338367B - 一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法 - Google Patents

一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、确定第一次变轨中间时刻控前卫星轨道；步骤2、计算第一次变轨中间时刻未变轨时卫星位置和速度；步骤3、确定第二次变轨中间时刻控后卫星轨道；步骤4、确认双脉冲轨道控制类型、控制量及控制相位；步骤5、分别计算轨道偏心率变化量、轨道平半长轴变化量以及第一次轨道控制实际速度增量和第二次轨道控制实际速度增量；步骤6、计算第一次变轨中间时刻控后卫星速度矢量；步骤7、确定双脉冲控制中间弧段轨道。通过本发明的方法可以提高航天器控制期间的轨道可用工作弧段，对航天器在轨运行有一定的经济效益。

Description

一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法
技术领域
本发明属于航天器测量与控制技术领域，涉及一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法。
背景技术
偏心率冻结轨道，通过约束半场轴a、偏心率e和近地点幅角ω实现卫星轨道经过同一纬度圈时有相同的高度，确保星上载荷具有稳定的工作条件，目前得到了广泛应用。对于该类型轨道，轨道控制一般通过双脉冲变轨实现。典型的双脉冲轨道控制实施过程中，考虑星上推力器配置、控制目标等约束需进行多批次的同轨双脉冲控制，即在一圈轨道内进行两次变轨，包括同向和反向双脉冲控制两种形式。对于同向双脉冲变轨控制，为了监视卫星工况，往往第一脉冲安排在境内变轨，第二脉冲变轨一般在境外测站不可见弧段；对于反向双脉冲控制，可能两次变轨均在测站不可见弧段内。
以上两种典型的双脉冲控制轨道，由于双脉冲控制间隔时间短，且通常该弧度在我国测站跟踪区间之外，导致中间轨道观测数据不足或者甚至完全无观测数据，因此通过事后定轨难以直接确定双脉冲控制之间弧段的轨道。
卫星在轨运行期间载荷可用工作时间非常珍贵，有些载荷数据需要结合卫星轨道联合使用，例如卫星对地成像需要利用卫星轨道数据进行图像矫正和拼帧处理，如果卫星进行双脉冲轨道控制，由于双脉冲控制间隔无精确轨道，将导致在该弧段内载荷数据无法使用，造成资源浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法，具有提高航天器控制期间的轨道可用工作弧段，避免造成资源浪费的优点。
本发明所采用的技术方案是，一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、确定第一次变轨中间时刻控前卫星轨道；
步骤2、计算第一次变轨中间时刻未变轨时卫星位置和速度；
步骤3、确定第二次变轨中间时刻控后卫星轨道；
步骤4、确认双脉冲轨道控制类型、控制量及控制相位；
步骤5、分别计算轨道偏心率变化量、轨道平半长轴变化量以及第一次轨道控制实际速度增量和第二次轨道控制实际速度增量；
步骤6、计算第一次变轨中间时刻控后卫星速度矢量；
步骤7、确定双脉冲控制中间弧段轨道。
本发明的特点还在于：
步骤1中需要确定的参数包括：卫星轨道的时间t0，半长轴a0，偏心率e0，倾角i0，升交点赤经Ω0，近地点幅角ω0，平近点角M0。
步骤2中计算卫星位置矢量
Figure BDA0002394332190000021
速度矢量
Figure BDA0002394332190000022
和速度大小V0的函数为
Figure BDA0002394332190000023
其中F1(t0,a0,e0,io,Ω0,ω0,M0)为根据卫星轨道时间t0、半长轴a0、偏心率e0、倾角i0、升交点赤经Ω0、近地点幅角ω0、平近点角M0计算卫星位置矢量
Figure BDA0002394332190000024
和速度矢量
Figure BDA0002394332190000025
的函数。
步骤3中需要确定的参数包括：卫星轨道的时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1。
步骤4具体为，根据变轨参数确认是同向双脉冲轨道控制还是反向双脉冲轨道控制，确认第一次轨道控制理论速度增量ΔV10和控制相位u1，第二次轨道控制理论速度增量ΔV20和控制相位u2。
步骤5中轨道偏心率变化量Δex、Δey为：
Figure BDA0002394332190000031
步骤5中轨道平半长轴变化量Δa＝a1-a0。
步骤5中第一次轨道控制实际速度增量Δv1和第二次轨道控制实际速度增量Δv2为：
当轨道控制为同向双脉冲轨道控制时：
Figure BDA0002394332190000032
当轨道控制为反向双脉冲控制时，根据变轨控制参数确定两次轨道控制速度大小；
若第一次轨道理论控制速度增量大于第二次轨道理论控制速度增量，则：
Figure BDA0002394332190000033
反之：
Figure BDA0002394332190000034
步骤6中第一次变轨中间时刻控后卫星速度矢量
Figure BDA0002394332190000041
步骤7中确定双脉冲控制中间弧段轨道，需要确定的参数包括：卫星轨道的时间t01，半长轴a01，偏心率e01，倾角i01，升交点赤经Ω01，近地点幅角ω01，平近点角M01，
Figure BDA0002394332190000042
其中t01＝t0，
Figure BDA0002394332190000043
是根据卫星轨道时间t01、位置
Figure BDA0002394332190000044
速度
Figure BDA0002394332190000045
计算卫星轨道根数的函数。
本发明的有益效果是：通过本发明一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法能够确定双脉冲控制之间弧段的轨道，提高航天器控制期间的轨道可用工作弧段，对航天器在轨运行有一定的经济效益，且本发明的方法可靠性好、可操作性强、易推广。
附图说明
图1是本发明一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法的流程图。
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。在具体应用实例中，所采用的是某卫星同轨双脉冲轨道控制，该星于2018年发射入轨，运行在700km高度的太阳同步轨道上，降交点地方时为09:00AM，主要任务是对地面资源进行系统普查。
实施例1，一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
(1)确定第一次变轨中间时刻控前卫星轨道，参数包括卫星轨道的时间t0，半长轴a0，偏心率e0，倾角i0，升交点赤经Ω0，近地点幅角ω0，平近点角M0；
(2)计算J2000.0坐标系下的卫星位置矢量
Figure BDA0002394332190000051
速度矢量
Figure BDA0002394332190000052
和速度大小V0
Figure BDA0002394332190000053
其中F1(t0,a0,e0,io,Ω0,ω0,M0)为根据卫星轨道时间t0、半长轴a0、偏心率e0、倾角i0、升交点赤经Ω0、近地点幅角ω0、平近点角M0计算卫星位置矢量
Figure BDA0002394332190000054
和速度矢量
Figure BDA0002394332190000055
的函数；
(3)确定第二次变轨中间时刻控后卫星轨道，参数包括卫星轨道的时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1；
(4)确认双脉冲轨道控制类型、控制量及控制相位，即根据变轨参数确认是同向双脉冲轨道控制，确认第一次轨道控制速度增量ΔV10和控制相位u1，第二次轨道控制速度增量ΔV20和控制相位u2；
(5)计算轨道偏心率变化量Δex、Δey
Figure BDA0002394332190000056
(6)计算轨道平半长轴变化量Δa
Δa＝a1-a0
(7)计算第一次轨道控制实际速度增量Δv1和第二次轨道控制实际速度增量Δv2
Figure BDA0002394332190000061
(8)计算第一次变轨中间时刻控后卫星速度矢量
Figure BDA0002394332190000062
Figure BDA0002394332190000063
(9)确定双脉冲控制中间弧段轨道，参数包括卫星轨道的时间t01，半长轴a01，偏心率e01，倾角i01，升交点赤经Ω01，近地点幅角ω01，平近点角M01；
Figure BDA0002394332190000064
其中t01＝t0，
Figure BDA0002394332190000065
是根据卫星轨道时间t01、位置
Figure BDA0002394332190000066
速度
Figure BDA0002394332190000067
计算卫星轨道根数的函数。
实施例2，一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
(1)确定第一次变轨中间时刻控前卫星轨道，参数包括卫星轨道的时间t0，半长轴a0，偏心率e0，倾角i0，升交点赤经Ω0，近地点幅角ω0，平近点角M0；
(2)计算J2000.0坐标系下的卫星位置矢量
Figure BDA0002394332190000068
速度矢量
Figure BDA0002394332190000069
和速度大小V0
Figure BDA00023943321900000610
其中F1(t0,a0,e0,io,Ω0,ω0,M0)为根据卫星轨道时间t0、半长轴a0、偏心率e0、倾角i0、升交点赤经Ω0、近地点幅角ω0、平近点角M0计算卫星位置矢量
Figure BDA0002394332190000071
和速度矢量
Figure BDA0002394332190000072
的函数；
(3)确定第二次变轨中间时刻控后卫星轨道，参数包括卫星轨道的时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1；
(4)确认双脉冲轨道控制类型、控制量及控制相位，通过变轨参数确认该次轨道控制为反向双脉冲轨道控制，第一次轨道控制速度增量ΔV10和控制相位u1，第二次轨道控制速度增量ΔV20和控制相位u2；
(5)计算轨道偏心率变化量Δex、Δey
Figure BDA0002394332190000073
(6)计算轨道平半长轴变化量Δa
Δa＝a1-a0
(7)计算第一次轨道控制实际速度增量Δv1和第二次轨道控制实际速度增量Δv2，根据变轨控制参数确定第一次轨道控制速度增量大于第二次轨道控制速度增量
Figure BDA0002394332190000074
(8)计算第一次变轨中间时刻控后卫星速度矢量
Figure BDA0002394332190000075
Figure BDA0002394332190000076
(9)确定双脉冲控制中间弧段轨道，参数包括卫星轨道的时间t01，半长轴a01，偏心率e01，倾角i01，升交点赤经Ω01，近地点幅角ω01，平近点角M01；
Figure BDA0002394332190000081
其中t01＝t0，
Figure BDA0002394332190000082
是根据卫星轨道时间t01、位置
Figure BDA0002394332190000083
速度
Figure BDA0002394332190000084
计算卫星轨道根数的函数。
实施例3，一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
(1)确定第一次变轨中间时刻控前卫星轨道，参数包括卫星轨道的时间t0，半长轴a0，偏心率e0，倾角i0，升交点赤经Ω0，近地点幅角ω0，平近点角M0；
(2)计算J2000.0坐标系下的卫星位置矢量
Figure BDA0002394332190000085
速度矢量
Figure BDA0002394332190000086
和速度大小V0
Figure BDA0002394332190000087
其中F1(t0,a0,e0,io,Ω0,ω0,M0)为根据卫星轨道时间t0、半长轴a0、偏心率e0、倾角i0、升交点赤经Ω0、近地点幅角ω0、平近点角M0计算卫星位置矢量
Figure BDA0002394332190000088
和速度矢量
Figure BDA0002394332190000089
的函数；
(3)确定第二次变轨中间时刻控后卫星轨道，参数包括卫星轨道的时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1；
(4)确认双脉冲轨道控制类型、控制量及控制相位，即根据变轨参数确认是反向双脉冲轨道控制，确认第一次轨道控制速度增量ΔV10和控制相位u1，第二次轨道控制速度增量ΔV20和控制相位u2；
(5)计算轨道偏心率变化量Δex、Δey
Figure BDA0002394332190000091
(6)计算轨道平半长轴变化量Δa
Δa＝a1-a0
(7)计算第一次轨道控制实际速度增量Δv1和第二次轨道控制实际速度增量Δv2，根据变轨控制参数确定第一次轨道控制速度增量小于第二次轨道控制速度增量
Figure BDA0002394332190000092
(8)计算第一次变轨中间时刻控后卫星速度矢量
Figure BDA0002394332190000093
Figure BDA0002394332190000094
(9)确定双脉冲控制中间弧段轨道，参数包括卫星轨道的时间t01，半长轴a01，偏心率e01，倾角i01，升交点赤经Ω01，近地点幅角ω01，平近点角M01；
Figure BDA0002394332190000095
其中t01＝t0，
Figure BDA0002394332190000096
是根据卫星轨道时间t01、位置
Figure BDA0002394332190000097
速度
Figure BDA0002394332190000098
计算卫星轨道根数的函数。

Claims (1)

1.一种偏心率冻结同轨双脉冲控制的中间轨道确定方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、确定第一次变轨中间时刻控前卫星轨道，需要确定的参数包括：卫星轨道的时间t0，半长轴a0，偏心率e0，倾角i0，升交点赤经Ω0，近地点幅角ω0，平近点角M0；
步骤2、计算第一次变轨中间时刻未变轨时卫星位置和速度，计算卫星位置矢量
Figure FDA0003795884300000011
速度矢量
Figure FDA0003795884300000012
和速度大小V0的函数为
Figure FDA0003795884300000013
其中F1(t0,a0,e0,i0,Ω0,ω0,M0)为根据卫星轨道的 时间t0、半长轴a0、偏心率e0、倾角i0、升交点赤经Ω0、近地点幅角ω0、平近点角M0计算卫星位置矢量
Figure FDA0003795884300000014
和速度矢量
Figure FDA0003795884300000015
的函数；
步骤3、确定第二次变轨中间时刻控后卫星轨道，需要确定的参数包括：卫星轨道的时间t1，半长轴a1，偏心率e1，倾角i1，升交点赤经Ω1，近地点幅角ω1，平近点角M1；
步骤4、确认双脉冲轨道控制类型、控制量及控制相位，具体为，根据变轨参数确认是同向双脉冲轨道控制还是反向双脉冲轨道控制，确认第一次轨道控制理论速度增量ΔV10和控制相位u1，第二次轨道控制理论速度增量ΔV20和控制相位u2；
步骤5、分别计算轨道偏心率变化量、轨道平半长轴变化量以及第一次轨道控制实际速度增量和第二次轨道控制实际速度增量，第一次轨道控制实际速度增量Δv1和第二次轨道控制实际速度增量Δv2为：
当轨道控制为同向双脉冲轨道控制时：
Figure FDA0003795884300000021
轨道偏心率变化量Δex、Δey为：
Figure FDA0003795884300000022
轨道平半长轴变化量Δa＝a1-a0；
当轨道控制为反向双脉冲控制时，根据变轨控制参数确定两次轨道控制速度大小，
若第一次轨道理论控制速度增量大于第二次轨道理论控制速度增量，则：
Figure FDA0003795884300000023
反之：
Figure FDA0003795884300000024
步骤6、计算第一次变轨中间时刻控后卫星速度矢量
Figure FDA0003795884300000025
步骤7、确定双脉冲控制中间弧段轨道，需要确定的参数包括：卫星轨道的时间t01，半长轴a01，偏心率e01，倾角i01，升交点赤经Ω01，近地点幅角ω01，平近点角M01，
Figure FDA0003795884300000031
其中t01＝t0，
Figure FDA0003795884300000032
是根据卫星轨道时间t01、位置
Figure FDA0003795884300000033
速度
Figure FDA0003795884300000034
计算卫星轨道根数的函数。
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