CN116822051A - 静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法 - Google Patents

Abstract

静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，属于航天器轨道动力学与控制技术领域。本发明首先通过静止轨道遥感卫星的探测地点需求确定满足全时探测需求的最大轨道倾角。基于静止轨道长期演化分析，在满足轨道倾角约束下推导实现位置保持燃耗的轨道升交点赤经。本发明解决了传统静止轨道遥感卫星在寿命要求下轨道位置保持燃料消耗大的问题，能够降低燃料消耗，从而延长卫星在轨寿命，适用于使用小倾角的静止轨道遥感卫星轨道设计。

Description

静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法

技术领域

本发明涉及静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，属于航天器轨道动力学与控制技术领域。

背景技术

静止轨道遥感卫星是工作在地球静止轨道执行对地观测任务的卫星。静止轨道遥感卫星的轨道设计需要通过设计卫星轨道根数和位置保持策略保证在轨寿命。轨道设计需要考虑两种约束：控制精度和燃料消耗。

传统采用脉冲推力器的静止轨道卫星轨道设计方法分别对南北位置保持策略和东西位置保持策略进行设计。利用脉冲推力消除轨道的摄动变化量，将卫星的南北位置和东西位置始终维持在一个精确范围内。在选定了卫星轨道的星下点地理经度Ls后，东西位置保持将星下点地理经度控制在Ls±0.05°的范围，南北位置保持将星下点地理纬度控制在±0.05°的范围。地球静止轨道常规的轨道倾角是0°，将轨道倾角常年保持为0°的问题是，南北位置保持的燃料消耗大，导致卫星的工作寿命有限。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，解决了传统静止轨道遥感卫星在寿命要求下轨道位置保持燃料消耗大的问题，能够降低燃料消耗，从而延长卫星在轨寿命，适用于使用小倾角的静止轨道遥感卫星轨道设计。

本发明的技术解决方案是：静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，包括：

根据卫星轨道半长轴、地球半径以及探测地点的纬度选择满足要求的轨道倾角初值；

选择升交点赤经，对在轨工作期间轨道倾角变化趋势进行仿真，当卫星轨道倾角在寿命末期将要超过轨道倾角初值时，进行南北位置保持；每次轨道倾角达到临界值，进行一次轨道控制，直至达到在轨工作寿命最低年限，计算此时共需要的南北位置保持速度增量；同样的方法计算东西位置保持速度增量；

通过南北位置保持速度增量和东西位置保持速度增量计算位置保持所需总燃料消耗，并判断总燃料消耗是否超出预设要求；若超差则改变升交点赤经并重新进行仿真计算，直至总燃料消耗满足预设要求。

进一步地，进行东西位置保持时，采取双脉冲轨道维持。

进一步地，所述轨道倾角初值为i＝arcsin(r_Earth/a)-Lat_s；其中，r_Earth为地球半径，a为卫星轨道半长轴，Lat_s为探测地点的纬度。

进一步地，所述位置保持所需总燃料消耗为m_k＝m_s×(1-e^{(deltaV1+deltaV2)/(9.8*Is)})；其中，m_s为卫星总重，deltaV₁为南北位置保持速度增量，deltaV₂为东西位置保持速度增量，Is为发动机比冲，e为自然底数。

进一步地，所述卫星总重m_s包括卫星燃料。所述卫星总重m_s包括卫星燃料。

进一步地，所述卫星总燃料消耗m_k为卫星进入静止轨道后位置保持所需燃料。所述卫星总燃料消耗m_k为卫星进入静止轨道后位置保持所需燃料。

在一种可能实现的方式中，卫星东西方向位置全寿命周期为Lon_s+u_w以内；其中Lon_s为星下点地理经度，u_w为东西位置保持控制精度。卫星南北位置需要全寿命周期控制在i以内；其中i为轨道倾角。

进一步地，卫星东西方向位置全寿命周期为Lon_s+u_w以内；其中Lon_s为星下点地理经度，u_w为东西位置保持控制精度。

进一步地，卫星南北位置需要全寿命周期控制在i以内；其中i为轨道倾角。

一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法的步骤。

静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明公开的一种静止轨道遥感卫星轨道方法，通过设计卫星轨道倾角和升交点赤经，既能满足对探测地点的全时探测需求，又能降低燃料消耗，从而延长卫星在轨寿命，普遍适用于使用脉冲推力器的地球静止轨道遥感卫星。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计流程。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：

步骤一：根据卫星轨道半长轴a、地球半径r_Earth以及探测地点的纬度Lat_s选择满足要求的轨道倾角i。i将作为卫星在轨工作期间的轨道倾角初值。

i＝arcsin(r_Earth/a)-Lat_s

步骤二：选择升交点赤经Omega，对在轨工作寿命t年期间轨道倾角变化趋势进行仿真，轨道倾角初值为i，当卫星轨道倾角在寿命末期将要超过i时，进行南北位置保持。每次轨道倾角达到临界值，进行一次轨道控制，直至在轨工作寿命最低年限t年。通过仿真，共需要n次轨控，共需要速度增量deltaV₁。

步骤三：计算东西位置保持速度增量。通过仿真，为满足东西位置保持控制精度优于±°u_w，需要进行双脉冲轨道维持。在轨工作寿命最低年限t年，通过仿真计算轨道控制需要速度增量deltaV₂。

步骤四：通过速度增量计算位置保持所需总燃料消耗m_k。判断总燃料消耗m_k是否超出总燃料消耗m_t。若超差则改变升交点赤经并重复步骤二至步骤四。

m_k＝m_s×(1-e^{(deltaV1+deltaV2)/(9.8*Is)})

在本申请实施例所提供的方案中，包括：

实施例1：

本实施例公开的一种静止轨道遥感卫星轨道设计方法，为验证该方法，首先，选取运行在地球静止轨道上的一颗遥感卫星作为主要研究对象。卫星和探测地点的基本参数如下表所示。

输入量	数值
		星下点地理经度Lons	100°E
探测地点	东经100°，北纬76.1°
		位置保持燃料消耗约束mt	≤75kg
在轨工作寿命最低年限t	12年
		卫星轨道半长轴a	42164km
地球半径rEarth	6378km
		卫星总重ms	3000kg
发动机比冲Is	210s
		东西位置保持控制精度uw	±0.05°

步骤一：根据卫星轨道半长轴a、地球半径r_Earth以及探测地点的纬度Lat_s选择满足要求的轨道倾角i。i将作为卫星在轨工作期间的轨道倾角初值。

i＝arcsin(r_Earth/a)-Lat_s＝8.5°

步骤二：选择升交点赤经Omega＝310°，对在轨工作寿命12年期间轨道倾角变化趋势进行仿真，轨道倾角初值为8.5°，当卫星轨道倾角在寿命末期将要超过8.5°时，进行南北位置保持。每次轨道倾角达到临界值，进行一次轨道控制，直至在轨工作寿命最低年限12年。通过仿真，共需要4次轨控，每次间隔3.5个月，每次速度增量6.5m/s，共需要速度增量deltaV₁＝26m/s。

步骤三：计算东西位置保持速度增量。通过仿真，为满足东西位置保持控制精度优于±0.05°，在星下点地理经度100°E需要每32天左右进行一次双脉冲轨道维持，每次双脉冲维持需要速度增量0.14m/s。运行12年共进行172次，需要速度增量deltaV₂＝24m/s。

步骤四：通过速度增量计算位置保持所需总燃料消耗m_k。m_k＜m_t，满足总燃耗约束。

m_k＝m_s×(1-e^{(deltaV1+deltaV2)/(9.8*Is)})＝3000kg×(1-e^{(26m/s+24m/s)/(9.8m/s2*210s)})＝72kg

本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，其特征在于，包括：

根据卫星轨道半长轴、地球半径以及探测地点的纬度选择满足要求的轨道倾角初值；

选择升交点赤经，对在轨工作期间轨道倾角变化趋势进行仿真，当卫星轨道倾角在寿命末期将要超过轨道倾角初值时，进行南北位置保持；每次轨道倾角达到临界值，进行一次轨道控制，直至达到在轨工作寿命最低年限，计算此时共需要的南北位置保持速度增量；同样的方法计算东西位置保持速度增量；

通过南北位置保持速度增量和东西位置保持速度增量计算位置保持所需总燃料消耗，并判断总燃料消耗是否超出预设要求；若超差则改变升交点赤经并重新进行仿真计算，直至总燃料消耗满足预设要求。

2.根据权利要求1所述的静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，其特征在于，进行东西位置保持时，采取双脉冲轨道维持。

3.根据权利要求1所述的静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，其特征在于，所述轨道倾角初值为i＝arcsin(r_Earth/a)-Lat_s；其中，r_Earth为地球半径，a为卫星轨道半长轴，Lat_s为探测地点的纬度。

4.根据权利要求1所述的静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，其特征在于，所述位置保持所需总燃料消耗为m_k＝m_s×(1-e^{(deltaV1+deltaV2)/(9.8*Is)})；其中，m_s为卫星总重，deltaV₁为南北位置保持速度增量，deltaV₂为东西位置保持速度增量，Is为发动机比冲，e为自然底数。

5.根据权利要求4所述的静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，其特征在于，所述卫星总重m_s包括卫星燃料。

6.根据权利要求4所述的静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，其特征在于，所述卫星总燃料消耗m_k为卫星进入静止轨道后位置保持所需燃料。

7.根据权利要求4所述的静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，其特征在于，卫星东西方向位置全寿命周期为Lon_s+u_w以内；其中Lon_s为星下点地理经度，u_w为东西位置保持控制精度。

8.根据权利要求4所述的静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计方法，其特征在于，卫星南北位置需要全寿命周期控制在i以内；其中i为轨道倾角。

9.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～权利要求8任一所述方法的步骤。

10.静止轨道遥感卫星长寿命轨道设计设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1～权利要求8任一所述方法的步骤。