CN113255109B - 针对高轨非零倾角卫星在轨健康监测轨道设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种针对高轨非零倾角卫星在轨健康监测轨道设计方法及系统，利用飞行器上携带的光学监测设备对我国高轨卫星进行观测，可实现对我国卫星的外观、姿态、轨位进行监测，同时对我国卫星附近的失效卫星以及空间碎片进行观测，防止发生碰撞。首先根据我国主要高轨卫星的集中区域来确定在轨健康监测飞行器的工作区域；监测过程中，飞行器利用轨道高度差进行漂移，根据监测飞行器携带的探测器监测范围，设计飞行器的部署轨道，确保可对区域内非0°倾角卫星实施健康监测；完成区域观测后，监测飞行器通过升轨或降轨的方式反向漂移，以实现对区域高轨卫星对地面和背地面的全面健康监测。

Description

针对高轨非零倾角卫星在轨健康监测轨道设计方法及系统

技术领域

本发明涉及一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，应用于航天在轨服务。

背景技术

在轨服务与维护是未来国家发展的重要方向，高轨是高价值卫星相对集中的区域，随着我国空间资产的增加，对高价值空间资产的服务与维护成为迫切需求。对卫星的健康监测是在轨服务的重要内容之一，可以为高轨卫星的维修、补加以及运行管理提供支撑。由于地球同步卫星距离地面远，地基观测手段难以实现高精度观测。飞行器可以对目标近距离观测，利用轨道全天域覆盖的特点，可以实现对区域内多目标的健康监测。同时，考虑非零倾角地球同步轨道目标的特点，理论上可以确保飞行器能够对区域内目标进行逐一健康监测，这就对合理设计监测飞行器轨道提出了要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，设计了在轨健康监测飞行器对地球同步轨道卫星的观测方法以及整个任务流程，在轨监测飞行器利用轨道高度差进行漂移，对目标星进行逐一观测和拍照。

本发明的技术解决方案是：

一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，步骤如下：

(1)部署在轨监测飞行器：在轨监测飞行器根据观测需求在地球同步轨道进行部署，观测区域对应地理经度范围[λ_wλ_e]，λ_w表示观测区域西边界对应地理经度，λ_e表示观测区域东边界对应地理经度；在轨监测飞行器布置在观测区域西侧，即地理经度λ_w的地球同步轨道轨位进行部署；

(2)接到地面的健康监测指令，在轨监测飞行器降低轨道高度，进入观测轨道，在轨监测飞行器利用轨道高度产生的速度差向东移动，向目标卫星接近，并通过在轨监测飞行器上装备的光学设备对目标卫星进行观测；

(3)令在轨监测飞行器对高轨区域任一轨位观测时间超过GEO卫星的半个轨道周期，即12h，设计要求α_d<2α_l，进而确定在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁；其中，α_l为在轨监测飞行器对GEO卫星观测范围对应地心角，α_d表示在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角；

(4)在轨监测飞行器完成降轨后，利用速度差向观测区域漂移，对经过该观测区域的目标卫星依次进行观测；

(5)在轨监测飞行器完成漂移并巡视观测所有目标卫星后，飞行器到达观测区域东侧，通过抬高在轨监测飞行器轨道高度，高于地球同步轨道卫星进行反向漂移，对GEO卫星的背地面继续观测；

(6)当在轨监测飞行器反向漂移至观测区域西侧时，降低轨道，重新由西向东漂移，重复上述操作过程，以实现对观测区域的往复巡视监测。

进一步的，α_l在轨监测飞行器对GEO观测范围对应地心角，计算公式为：

其中，在轨监测飞行器上装备的光学设备观测距离为l，在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁，R_GEO表示GEO轨道半长轴，其中R_l＝R_GEO-Δh₁；R_l为观测轨道半长轴，倾角为0°，偏心率为0。

进一步的，在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角α_d通过如下方式计算：

α_d＝(ω_J-ω_GEO)T

其中，ω_J表示在轨监测飞行器所在轨道角速度，ω_GEO表示GEO轨道角速度，T表示漂移时间。

进一步的，ω_J和ω_GEO具体计算如下：

μ表示地球引力常数。

进一步的，根据设计要求α_d<2α_l，得到一个关于在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁的取值：

其中，Δh₁与l正相关，当观测距离越远时，可降轨高度越大，相对漂移速度越快，完成监测任务时间越短。

进一步的，在轨监测飞行器抬升轨道，高于GEO轨道，使轨道运行速度低于高轨卫星速度，进行反向漂移，设抬升轨道半长轴为R_h＝R_GEO+Δh₂，Δh₂表示在轨监测飞行器高于GEO轨道高度，即Δh₂表示轨道抬升高度，其取值范围表达式为：

进一步的，本发明还提出一种在轨健康监测轨道设计系统，包括：

在轨监测飞行器部署模块：在轨监测飞行器根据观测需求在地球同步轨道进行部署，观测区域对应地理经度范围[λ_wλ_e]，λ_w表示观测区域西边界对应地理经度，λ_e表示观测区域东边界对应地理经度；在轨监测飞行器布置在观测区域西侧，即地理经度λ_w的地球同步轨道轨位进行部署；

变轨模块：接到地面的健康监测指令，在轨监测飞行器降低轨道高度，进入观测轨道，在轨监测飞行器利用轨道高度产生的速度差向东移动，向目标卫星接近，并通过在轨监测飞行器上装备的光学设备对目标卫星进行观测；

降低轨道高度确定模块：令在轨监测飞行器对高轨区域任一轨位观测时间超过GEO卫星的半个轨道周期，即12h，设计要求α_d<2α_l，进而确定在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁；其中，α_l为在轨监测飞行器对GEO卫星观测范围对应地心角，α_d表示在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角；

漂移观测模块：在轨监测飞行器完成降轨后，利用速度差向观测区域漂移，对经过该观测区域的目标卫星依次进行观测；

反向漂移模块：在轨监测飞行器完成漂移并巡视观测所有目标卫星后，飞行器到达观测区域东侧，通过抬高在轨监测飞行器轨道高度，高于地球同步轨道卫星进行反向漂移，对GEO卫星的背地面继续观测；当在轨监测飞行器反向漂移至观测区域西侧时，降低轨道，重新由西向东漂移，重复上述操作过程，以实现对观测区域的往复巡视监测。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明应用于航天在轨服务，利用飞行器可以全天域覆盖的特点对我国高轨卫星开展健康监测，为高轨卫星的维护以及空间资产运行管理提供支持。为减少监测飞行器推进剂消耗，实现对区域内非零倾角地球同步轨道卫星的健康监测。

(2)本发明利用飞行器上携带的光学监测设备对我国高轨卫星进行观测，可实现对我国卫星的外观、姿态、轨位进行监测，同时对我国卫星附近的失效卫星以及空间碎片进行观测，防止发生碰撞。

(3)本发明轨道设计方法可确保对区域内非0°倾角卫星实施健康监测；监测飞行器通过降轨正向漂移，通过升轨反向漂移，以实现对区域高轨卫星对地面和背地面的全面健康监测。

附图说明

图1在轨监测飞行器对地球同步轨道目标观测设计流程。

图2在轨监测飞行器漂移和观测覆盖示意图。

图3观测距离和降轨高度范围对应关系。

图4在轨监测飞行器对非零倾角地球同步轨道目标漂移观测示意。

图5在轨监测飞行器观测和指定区域巡视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出一种针对高轨非零倾角卫星在轨健康监测轨道设计方法及系统，利用飞行器上携带的光学监测设备对我国高轨卫星进行观测，可实现对我国卫星的外观、姿态、轨位进行监测，同时对我国卫星附近的失效卫星以及空间碎片进行观测，防止发生碰撞。首先根据我国主要高轨卫星的集中区域来确定在轨健康监测飞行器的工作区域；监测过程中，飞行器利用轨道高度差进行漂移，根据监测飞行器携带的探测器监测范围，设计飞行器的部署轨道，确保可对区域内非0°倾角卫星实施健康监测；完成区域观测后，监测飞行器通过升轨或降轨的方式反向漂移，以实现对区域高轨卫星对地面和背地面的全面健康监测。

本发明设计了在轨健康监测飞行器对地球同步轨道卫星的观测方法以及整个任务流程，在轨监测飞行器利用轨道高度差进行漂移，对目标星进行逐一观测和拍照。根据飞行器载荷的观测能力，并考虑目标星与在轨监测飞行器异面的问题，构建模型，设计观测轨道。具体步骤如图1所示，包括：

S1：部署在轨监测飞行器：在轨监测飞行器根据观测需求在地球同步轨道进行部署，观测区域对应地理经度范围[λ_wλ_e]，λ_w表示观测区域西边界对应地理经度，λ_e表示观测区域东边界对应地理经度；在轨监测飞行器布置在观测区域西侧，即地理经度λ_w的地球同步轨道轨位进行部署；

S2：接到地面的健康监测指令，在轨监测飞行器降低轨道高度，进入观测轨道，在轨监测飞行器利用轨道高度产生的速度差向东移动，向目标卫星接近，并通过在轨监测飞行器上装备的光学设备对目标卫星进行观测；

S3：令在轨监测飞行器对高轨区域任一轨位观测时间超过GEO卫星的半个轨道周期，即12h，设计要求α_d<2α_l，进而确定在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁；其中，α_l为在轨监测飞行器对GEO观测范围对应地心角，α_d表示在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角。本发明中GEO卫星是指地球同步轨道卫星。GEO轨道是指地球同步轨道。

具体为：

设健康监测载荷观测距离为l，降低轨道高度为Δh₁，R_GEO表示GEO轨道半长轴，其中R_l＝R_GEO-Δh₁，α_l在轨监测飞行器对GEO观测范围对应地心角，计算公式为：

观测轨道半长轴为R_l，倾角为0°，偏心率为0。利用轨道高度差进行漂移，继而完成指定区域目标的巡视监测。观测轨道的高度与在轨监测飞行器的观测距离l相关。由于目标卫星倾角不为0°，当在轨监测飞行器在经过目标轨位下方时，目标卫星可能不在赤道上空，在轨监测飞行器无法完成对目标的健康监测。考虑轨道特性，地球同步轨道卫星每隔12h经过赤道上空一次，因此设计观测轨道，保证在轨监测飞行器能够对任意轨位覆盖时间超过12h，以实现对所经过区域上空的目标全部覆盖。

ω_J表示在轨监测飞行器所在轨道角速度，ω_GEO表示GEO轨道角速度，T表示漂移时间，μ表示地球引力常数，其中

α_d表示在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角，为满足在轨监测飞行器对高轨区域任一轨位观测时间超过GEO卫星的半个轨道周期(即12h)，设计要求α_d<2α_l，其中

α_d＝(ω_J-ω_GEO)T (4)

最后得到一个关于轨道高度的取值

Δh₁与l正相关，当观测距离越远时，可降轨高度越大，相对漂移速度越快，完成健康监测任务时间越短。

S4：在轨监测飞行器完成降轨后，利用速度差向观测区域漂移，对经过观测区域的目标卫星依次进行观测。GEO卫星每12h过赤道上空一次，在轨监测飞行器对任意GEO轨位观测覆盖时间超过12h。因此，在漂移过程中，在轨监测飞行器具备对经过观测区域的高轨卫星进行健康监测的能力。

S5：在轨监测飞行器完成漂移，并巡视观测所有目标卫星后，飞行器到达观测目标区域东侧，通过抬高在轨监测飞行器轨道高度，高于地球同步轨道卫星进行反向漂移，对高轨卫星的背地面继续观测。

在轨监测飞行器抬升轨道，高于GEO轨道，使轨道运行速度低于高轨卫星速度，进行反向漂移。设抬升轨道半长轴为R_h＝R_GEO+Δh₂，即Δh₂表示在轨监测飞行器高于GEO轨道高度，其取值范围表达式为：

当在轨监测飞行器反向漂移至目标区域西侧时，降低轨道，重新由西向东漂移，重复上述操作过程，以实现对目标区域的往复巡视监测。

本发明还提出一种在轨健康监测轨道设计系统，包括：

在轨监测飞行器部署模块：在轨监测飞行器根据观测需求在地球同步轨道进行部署，观测区域对应地理经度范围[λ_wλ_e]，λ_w表示观测区域西边界对应地理经度，λ_e表示观测区域东边界对应地理经度；在轨监测飞行器布置在观测区域西侧，即地理经度λ_w的地球同步轨道轨位进行部署；

变轨模块：接到地面的健康监测指令，在轨监测飞行器降低轨道高度，进入观测轨道，在轨监测飞行器利用轨道高度产生的速度差向东移动，向目标卫星接近，并通过在轨监测飞行器上装备的光学设备对目标卫星进行观测；

降低轨道高度确定模块：令在轨监测飞行器对高轨区域任一轨位观测时间超过GEO卫星的半个轨道周期，即12h，设计要求α_d<2α_l，进而确定在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁；其中，α_l为在轨监测飞行器对GEO卫星观测范围对应地心角，α_d表示在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角；

漂移观测模块：在轨监测飞行器完成降轨后，利用速度差向观测区域漂移，对经过该观测区域的目标卫星依次进行观测；

反向漂移模块：在轨监测飞行器完成漂移并巡视观测所有目标卫星后，飞行器到达观测区域东侧，通过抬高在轨监测飞行器轨道高度，高于地球同步轨道卫星进行反向漂移，对GEO卫星的背地面继续观测；当在轨监测飞行器反向漂移至观测区域西侧时，降低轨道，重新由西向东漂移，重复上述操作过程，以实现对观测区域的往复巡视监测。

本发明实施例：

S1：图1是在轨监测飞行器观测地球同步轨道目标的设计流程，在轨监测飞行器根据健康监测需求在地球同步轨道进行部署，观测区域对应地理经度范围[λ_wλ_e]，我国上空对应目标区域范围可设定东经55°至东经175°。在轨监测飞行器部署在东经55°上空对应地球同步轨道卫星轨位。

S2：接到对我国高轨卫星进行健康监测指令，在轨监测飞行器平台降低轨道高度，进入地球同步轨道下方轨道。飞行器利用轨道高度产生的速度差向东经175°方向移动，观测所经区域的目标卫星。

S3：如图2，在轨监测飞行器观测距离为l，降低轨道高度为Δh₁，GEO轨道半长轴为42164km，其中R_l＝42164-Δh₁，α_l为在轨监测飞行器对GEO观测范围对应地心角，计算公式为：

观测距离l可以认为是定值，因此α_l只受降轨高度的影响。α_d表示在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角，

α_d只受轨道降低高度Δh₁的影响，为满足在轨监测飞行器对GEO区域任一轨位覆盖时间超过GEO卫星的半个轨道周期(即12h)，设计要求α_d<2α_l，得到一个关于轨道高度的取值

Δh₁取值范围只受l的影响，当观测距离l越大，Δh₁可取范围越大。Δh取极大值时，在轨监测飞行器漂移速度最快，完成区域观测的时间最短。观测距离l与降轨取值范围关系，如图3所示。在取值范围内，Δh₁取值越大，完成健康监测任务的时间越短。以天数为单位，完成东经55°至东经175°区域观测时间可表示为：

例如，当在轨监测飞行器有效观测距离为1500km时，降低轨道最大高度约为575km，每天漂移的地心角为7.51°/天，完成东经55°至东经175°区域观测需要16天。

S4：在轨监测飞行器完成降轨后，利用速度差向目标区域漂移，对经过区域的目标卫星依次进行健康监测。GEO卫星每12h过赤道上空一次，在轨监测飞行器对任意GEO轨位观测覆盖时间超过12h，如图4所示。因此，在漂移过程中，在轨监测飞行器一定具备对经过区域目标卫星观测并完成健康监测的能力。

S5：在轨监测飞行器完成漂移，并遍历观测所有目标后，飞行器到达东经175°，可以选择继续对目标区域巡视，对卫星背地面继续进行健康监测，如图5所示。

在轨监测飞行器平台抬升轨道，高于GEO轨道，使轨道运行速度低于GEO卫星速度，在轨监测飞行器由东经175°向东经55°漂移。设抬升轨道Δh₂，其取值范围表达式为：

当在轨监测飞行器反向漂移至东经55°区域时，降低轨道高度，以实现对监测飞行器在东经55°到东经175°之间往复巡视。

本发明应用于航天在轨服务，利用飞行器可以全天域覆盖的特点对我国高轨卫星开展健康监测，为高轨卫星的维护以及空间资产运行管理提供支持。为减少监测飞行器推进剂消耗，实现对区域内非零倾角地球同步轨道卫星的健康监测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，其特征在于步骤如下：

(1)部署在轨监测飞行器：在轨监测飞行器根据观测需求在地球同步轨道进行部署，观测区域对应地理经度范围[λ_wλ_e]，λ_w表示观测区域西边界对应地理经度，λ_e表示观测区域东边界对应地理经度；在轨监测飞行器布置在观测区域西侧，即地理经度λ_w的地球同步轨道轨位进行部署；

(2)接到地面的健康监测指令，在轨监测飞行器降低轨道高度，进入观测轨道，在轨监测飞行器利用轨道高度产生的速度差向东移动，向目标卫星接近，并通过在轨监测飞行器上装备的光学设备对目标卫星进行观测；

(3)令在轨监测飞行器对高轨区域任一轨位观测时间超过GEO卫星的半个轨道周期，即12h，设计要求α_d<2α_l，进而确定在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁；其中，α_l为在轨监测飞行器对GEO卫星观测范围对应地心角，α_d表示在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角；

(4)在轨监测飞行器完成降轨后，利用速度差向观测区域漂移，对经过该观测区域的目标卫星依次进行观测；

(5)在轨监测飞行器完成漂移并巡视观测所有目标卫星后，飞行器到达观测区域东侧，通过抬高在轨监测飞行器轨道高度，高于地球同步轨道卫星进行反向漂移，对GEO卫星的背地面继续观测；

(6)当在轨监测飞行器反向漂移至观测区域西侧时，降低轨道，重新由西向东漂移，重复上述操作过程，以实现对观测区域的往复巡视监测。

2.根据权利要求1所述的一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，其特征在于：α_l在轨监测飞行器对GEO观测范围对应地心角，计算公式为：

其中，在轨监测飞行器上装备的光学设备观测距离为l，在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁，R_GEO表示GEO轨道半长轴，其中R_l＝R_GEO-Δh₁；R_l为观测轨道半长轴，倾角为0°，偏心率为0。

3.根据权利要求2所述的一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，其特征在于：在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角α_d通过如下方式计算：

α_d＝(ω_J-ω_GEO)T

其中，ω_J表示在轨监测飞行器所在轨道角速度，ω_GEO表示GEO轨道角速度，T表示漂移时间。

4.根据权利要求3所述的一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，其特征在于：ω_J和ω_GEO具体计算如下：

μ表示地球引力常数。

5.根据权利要求4所述的一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，其特征在于：根据设计要求α_d<2α_l，得到一个关于在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁的取值：

其中，Δh₁与l正相关，当观测距离越远时，可降轨高度越大，相对漂移速度越快，完成监测任务时间越短。

6.根据权利要求5所述的一种针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法，其特征在于：在轨监测飞行器抬升轨道，高于GEO轨道，使轨道运行速度低于高轨卫星速度，进行反向漂移，设抬升轨道半长轴为R_h＝R_GEO+Δh₂，Δh₂表示在轨监测飞行器高于GEO轨道高度，即Δh₂表示轨道抬升高度，其取值范围表达式为：

7.一种根据权利要求1所述的针对高轨非零倾角卫星的在轨健康监测轨道设计方法实现的在轨健康监测轨道设计系统，其特征在于包括：

在轨监测飞行器部署模块：在轨监测飞行器根据观测需求在地球同步轨道进行部署，观测区域对应地理经度范围[λ_wλ_e]，λ_w表示观测区域西边界对应地理经度，λ_e表示观测区域东边界对应地理经度；在轨监测飞行器布置在观测区域西侧，即地理经度λ_w的地球同步轨道轨位进行部署；

变轨模块：接到地面的健康监测指令，在轨监测飞行器降低轨道高度，进入观测轨道，在轨监测飞行器利用轨道高度产生的速度差向东移动，向目标卫星接近，并通过在轨监测飞行器上装备的光学设备对目标卫星进行观测；

降低轨道高度确定模块：令在轨监测飞行器对高轨区域任一轨位观测时间超过GEO卫星的半个轨道周期，即12h，设计要求α_d<2α_l，进而确定在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁；其中，α_l为在轨监测飞行器对GEO卫星观测范围对应地心角，α_d表示在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角；

漂移观测模块：在轨监测飞行器完成降轨后，利用速度差向观测区域漂移，对经过该观测区域的目标卫星依次进行观测；

反向漂移模块：在轨监测飞行器完成漂移并巡视观测所有目标卫星后，飞行器到达观测区域东侧，通过抬高在轨监测飞行器轨道高度，高于地球同步轨道卫星进行反向漂移，对GEO卫星的背地面继续观测；当在轨监测飞行器反向漂移至观测区域西侧时，降低轨道，重新由西向东漂移，重复上述操作过程，以实现对观测区域的往复巡视监测。

8.根据权利要求7所述的在轨健康监测轨道设计系统，其特征在于：α_l在轨监测飞行器对GEO观测范围对应地心角，计算公式为：

其中，在轨监测飞行器上装备的光学设备观测距离为l，在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁，R_GEO表示GEO轨道半长轴，其中R_l＝R_GEO-Δh₁；R_l为观测轨道半长轴，倾角为0°，偏心率为0；

在轨监测飞行器每天漂移距离对应的地心角α_d通过如下方式计算：

α_d＝(ω_J-ω_GEO)T

其中，ω_J表示在轨监测飞行器所在轨道角速度，ω_GEO表示GEO轨道角速度，T表示漂移时间；

ω_J和ω_GEO具体计算如下：

μ表示地球引力常数。

9.根据权利要求8所述的在轨健康监测轨道设计系统，其特征在于：根据设计要求α_d<2α_l，得到一个关于在轨监测飞行器降低轨道高度为Δh₁的取值：

其中，Δh₁与l正相关，当观测距离越远时，可降轨高度越大，相对漂移速度越快，完成监测任务时间越短。

10.根据权利要求9所述的在轨健康监测轨道设计系统，其特征在于：在轨监测飞行器抬升轨道，高于GEO轨道，使轨道运行速度低于高轨卫星速度，进行反向漂移，设抬升轨道半长轴为R_h＝R_GEO+Δh₂，Δh₂表示在轨监测飞行器高于GEO轨道高度，即Δh₂表示轨道抬升高度，其取值范围表达式为：

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