CN115571377A - 一种卫星推力系统及位保方法 - Google Patents

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黄华
侯凤龙
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Abstract

本发明提供一种卫星电推进系统，包括：电推力器，数量为四台，每台所述电推力器安装于卫星背地板，其推力方向指向卫星的质心，其中：在卫星背地板上定义一个矩形区域，矩形的几何中心位于卫星质心在背地板的投影交点，矩形的四条边分别与卫星X轴和Y轴垂直，四台电推力器位于矩形的四个顶点位置对称安装。一种位保方法，具体为：四台所述电推力器轮流点火；每天卫星处于升交点附近时，北侧的电推力器轮流点火；每天卫星处于降交点附近时，南侧电推力器轮流点火；卫星采用上述方法进行南北位置保持的倾角修正，总点火时间对应每天南北位置保持所需的倾角修正量。本方案提高推进剂的使用效率，可满足GEO卫星的在轨位置保持需求。

Description

一种卫星推力系统及位保方法
技术领域
本发明涉及静止轨道卫星在轨位置保持技术，尤其涉及一种卫星推力系统及位保方法。
背景技术
地球静止轨道(GEO)卫星在轨运行阶段需要定期进行东西方向和南北方向的位置保持，将卫星星下点经度和纬度控制在规定的范围内，确保卫星有效载荷对地指向要求，避免与相邻卫星发生电子干扰和物理碰撞。
GEO卫星一般采用化学推力器分别进行东西位置保持和南北位置保持，东西位置保持一般每7天进行一次，南北位置保持一般每14天进行一次。随电推进技术在空间应用的快速发展，利用电推力器进行位置保持已经在GEO卫星上广泛应用。
化学推力器的推进较大，一般可达到10N，但比冲较低，一般在300s左右；电推力器的推力较小，一般低于100mN，比冲较高，一般在3000s左右。
由于电推力器比冲是化学推力器的10倍以上，电推力器进行在轨位置保持的燃料效率极大提高，因此电推力器进行位置保持是当前GEO卫星主流配置。
绝大多数GEO卫星利用电推力器进行南北位置保持，东西位置保持仍然使用化学推力器，如A2100平台、E3000平台、SpaceBus4000平台等。
现有技术中南北位置保持和东西位置保持分别使用不同的推力器，推进效率和推进剂的使用效率较低。
发明内容
1.目的：
为了提高GEO卫星采用电推力器进行在轨位置保持的推进剂使用效率，需要电推力器同时完成东西和南北方向的位置保持。
本专利提出一种卫星推力系统及位保方法，优化电推力器点火位置和点火持续时间等参数，提高推进剂的使用效率，可满足GEO卫星的在轨位置保持需求。本专利适用于采用电推力器进行位置保持的地球同步轨道卫星。
2.技术方案：
本发明的技术解决方案是：
本发明提出一种卫星电推进系统，包括：
电推力器，数量为四台，每台所述电推力器安装于卫星背地板，其推力方向指向卫星的质心，其中：
卫星背地板两侧各设置两台所述电推力器，相对卫星背地板X轴对称安装；
同侧的两台所述电推力器相对卫星背地板Y轴对称安装；
所述卫星背地板为矩形，其两条中线分别为X轴、Y轴。
进一步地，同侧的两台所述电推力器之间具有一定距离。
本发明提出一种位保方法，用于上述卫星推力系统，具体为：
四台所述电推力器轮流点火；
每天卫星处于升交点附近时，北侧的电推力器轮流点火；
每天卫星处于降交点附近时，南侧电推力器轮流点火；
卫星采用上述方法进行南北位置保持的倾角修正，总点火时间对应每天南北位置保持所需的倾角修正量。
进一步地，通过调整四台所述电推力器的点火时间，在进行南北位置保持期间同时进行东西位置保持。
本发明提供一种电推力器点火参数优化方法，用于上述方法，其特征在于：
以每天四台所述电推力器点火全部结束时刻为起点，进行一段时间的轨道预报，将期间卫星相对定点经度的最大偏差以及最大偏心率作为优化目标，将四台所述电推力器的点火持续时间作为优化变量，利用优化方法对每天电推力器点火持续时间进行优化计算，可以保证每天东西位置保持可以将卫星相对定点经度的偏差以及偏心率控制到最小。
进一步地，所述优化方法为单纯形法。
3.效果
本方法通过调整电推力器的布局，制定电推力器同时完成东西和南北位置保持的策略，设计电推力器点火参数优化策略，能够自动获得电推力器点火位置和点火持续时间等参数，提高推进剂的使用效率，可满足GEO卫星的在轨位置保持需求。该优化策略具有如下优点：
1)能够同时完成GEO卫星的东西和南北方向位置保持，提高了推进剂的使用效率。
2)在升交点和降交点进行南北位置保持，电推力器工作效率最高。4台电推力器总点火时间可根据每天倾角修正量进行计算，只需对4台电推力器的点火持续时间进行优化，降低了优化问题的维数，有利于缩短成优化求解时间，提高了工程可实现性。
能够通过优化直接获得电推力器的点火持续时间参数，便于自主进行卫星在轨位置保持操作。
附图说明
图1为本发明实施例中地球静止轨道卫星坐标系定义示意图；
图2为本发明实施例中地球静止轨道卫星电推力器布局示意图；
图3为本发明实施例中地球静止轨道卫星全电推位保策略示意图；
图4为本发明实施例中静止轨道卫星28天位保期间倾角变化曲线；
图5为本发明实施例中静止轨道卫星28天位保期间偏心率变化曲线；
图6为本发明实施例中静止轨道卫星28天位保期间经度变化曲线；
图7为本发明实施例中静止轨道卫星28天位保期间经度和纬度变化曲线。
具体实施方式
为使本发明技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例的技术方案进行完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
首先给出一些本发明需要涉及到的坐标系和计算公式。
为了叙述方便，需要建立卫星机械坐标系，其定义为：坐标原点O位于卫星下端框与运载火箭机械分离面内，与对接环接口的理论圆心重合；OX轴(滚动轴)过原点O，与卫星东板理论法线方向平行，正方向与东板外法线方向一致；OZ轴(偏航轴)过原点O，与卫星轴线平行，正方向指向对地面方向；OY轴(俯仰轴)与OX和OY轴构成右手直角坐标系，正方向与南板外法线方向一致。载荷舱位于推进服务舱顶部，见图1。
本发明的具体实现过程如下：
(1)电推力器布局：采用4台电推力器，每台电推力器均通过双轴矢量调整机构安装在卫星的背地板，WN和EN电推力器位于北侧，WS和ES电推力器位于南侧，WN和WS位于西侧，EN和ES位于东侧，四台电推力器关于OX轴和OY轴对称安装，东侧和西侧电推力器保持一定距离，见图2。双轴矢量调整机构可将电推力器的推力方向指向卫星的质心，此时每台电推力器均能够同时产生沿南北方向和东西方向的推力。
(2)全电推位保策略：每天4台电推力器轮流点火，升交点附近北侧WN和EN电推力器轮流点火，降交点附近南侧WS和ES电推力器轮流点火，可实现南北位置保持的倾角修正，总点火时间对应每天南北位置保持所需的倾角修正量。通过调整4台电推力器的点火时间，可以在进行南北位置保持期间同时完成东西位置保持，见图3。具体为：
(3)电推力器点火参数优化策略：将每天4台电推力器点火全部结束时刻为起点，定义为Tf，进行ΔT时间的轨道预报，将期间卫星相对定点经度λ0的偏差Δλ＝λ-λ0以及偏心率e进行统计并作为优化目标，当进行经度偏差控制时，优化目标函数可定义为Opt＝min{max[λ(t)-λ0]},tf≤t≤tf+Δt，当进行偏心率控制时，优化目标函数可定义为Opt＝min{max[e(t)]},tf≤t≤tf+Δt，将4台电推力器的点火持续时间作为优化变量x＝[ΔtWN ΔtEN ΔtWS ΔtES]，利用优化方法(如单纯形法)对第二天的电推力器点火持续时间进行优化计算，可以保证每天东西位置保持可以将卫星相对定点经度的偏差以及偏心率控制到最小。
在本发明的一种实施例中，假设卫星定点经度为东经120°，东西和南北位保精度要求均为±0.05°，初始轨道参数为：半长轴42167.2km，偏心率0.0001，倾角0.01°，升交点赤经90°，近地点角0°。单台电推力器指标为：推力80mN，比冲3800s。电推力器安装位置为：ES电推力器为(500,1600,150)mm，EN电推力器为(500,-1600,150)mm，WS电推力器为(-500,1600,150)mm，WN电推力器为(-500,-1600,150)mm。卫星质心高度2000mm。经过优化计算后的28天电推在轨东西和南北方向位置保持策略如图4～图7所示。图中可见东西和南北位保精度要求基本满足要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”和“示例”等述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相对的实施例或示例中以合适的方式结合。
必须指出，以上实施例的说明不用于限制而只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明进行的任何改进以及与本产品等同的替代方案，也属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种卫星电推进系统，其特征在于，包括：
电推力器，数量为四台，每台所述电推力器安装于卫星背地板，其推力方向指向卫星的质心，其中：
在卫星背地板上定义一个矩形区域，矩形的几何中心位于卫星质心在背地板的投影交点，矩形的四条边分别与卫星X轴和Y轴垂直，四台电推力器位于矩形的四个顶点位置对称安装。
2.根据权利要求1所述的卫星推力系统，其特征在于，同侧的两台所述电推力器之间具有一定距离。
3.一种位保方法，其特征在于，用于根据权利要求1-2任一项所述的卫星推力系统，具体为：
四台所述电推力器轮流点火；
每天卫星处于升交点附近时，北侧的电推力器轮流点火；
每天卫星处于降交点附近时，南侧电推力器轮流点火；
卫星采用上述方法进行南北位置保持的倾角修正，总点火时间对应每天南北位置保持所需的倾角修正量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过调整四台所述电推力器的点火时间，在进行南北位置保持期间同时进行东西位置保持。
5.一种电推力器点火参数优化方法，其特征在于，用于根据权利要求3-4任一项所述的方法，其特征在于：
以每天四台所述电推力器点火全部结束时刻为起点，进行一段时间的轨道预报，将期间卫星相对定点经度的最大偏差以及最大偏心率作为优化目标，将四台所述电推力器的点火持续时间作为优化变量，利用优化方法对每天电推力器点火持续时间进行优化计算，可以保证每天东西位置保持可以将卫星相对定点经度的偏差以及偏心率控制到最小。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述优化方法为单纯形法。
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