一种太阳同步轨道降交点地方时双偏置被动控制方法

摘要

一种太阳同步轨道降交点地方时双偏置被动控制方法，针对任务给定的太阳同步轨道高度、标称降交点地方时和设计寿命，选择降交点地方时和倾角的取值收敛方向。根据给定的偏置后初始降交点地方时，计算若干种轨道倾角偏置量对应的寿命期内降交点地方时漂移情况，判断该初始降交点地方时在特定最佳轨道倾角偏置量下的漂移精度满足最大值和最小值的绝对值相等的要求，解决更长设计寿命和更高精度降交点地方时漂移控制约束的要求，控制精度更高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳同步轨道降交点地方时双偏置被动控制方法，属于轨道地方时偏置控制领域。

背景技术

太阳同步轨道的降交点地方时是轨道变化特性的重要考核指标，寿命期内的降交点地方时漂移量越小，卫星成像时的地面光照条件越稳定，同时对于星上的各种光学敏感器、整星散热等工况也越有利。一般的来说，改变轨道面的控制需要消耗巨大的燃料。以重量为1000kg的低轨卫星为例，采用常规化学推进剂，变轨改变升交点赤经0.1°或倾角0.1°需要消耗至少10kg燃料，而0.1°的升交点赤经变化量折合降交点地方时变化量仅0.4分钟，以5年设计寿命的在轨卫星表现为例，降交点地方时漂移量可能达到30分钟，因此通过直接变轨来维持降交点地方时漂移的方法难以被工程实施接受。寿命中期对降交点地方时进行维持时，更可行的方法是通过间接改变小量的倾角，缓慢影响降交点地方时的漂移，即用一定的漂移时间换取燃料的节省。为了尽可能的节省入轨后对降交点地方时维持的燃料消耗，在入轨时对倾角进行一定量的预偏置，可以实现设计寿命内降交点地方时漂移范围相对标称值变化尽可能小。

目前工程实施中通常采用上述倾角单偏置方法，由于未来卫星设计寿命越来越长，同时降交点地方时漂移的控制精度要求也越来越高，因此如果仍然按照倾角单偏置方法进行入轨初期的轨道预偏置，则无法通过一次入轨初偏置来满足既定卫星寿命内的降交点地方时漂移量小于任务约束范围的要求，只能在卫星入轨后通过卫星寿命中期倾角的轨控干预，从而将降交点地方时维持在要求的漂移范围之内，该直接控制方式意味卫星入轨时需要携带更多的燃料，即缩减卫星携带有效载荷的能力或需要选择更大的运载火箭，同时入轨后卫星自身调整降交点地方时的轨控实施需要耗费地面的参与成本，由于轨控时还需要中断卫星常规任务，因此对卫星在轨时正常业务的展开也有一定的干扰。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对太阳同步轨道仅倾角单偏置方法时降交点地方时漂移范围较大的情况，提出降交点地方时和倾角的双偏置被动控制方法，解决更长设计寿命和更高精度降交点地方时漂移控制约束的要求，节省燃料及在轨维护成本。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种太阳同步轨道降交点地方时双偏置被动控制方法，步骤如下：

(1)获取太阳同步轨道地方时调整任务预设的太阳同步轨道运行高度H、标称降交点地方时LTDN₀和卫星设计寿命T；

(2)根据步骤(1)所得的标称降交点地方时LTDN₀所处时间区间和允许的降交点地方时漂移范围，判断降交点地方时偏置量ΔLTDN₀与轨道倾角偏置量Δi₀的收敛方向；

(3)根据步骤(2)判断所得降交点地方时偏置量ΔLTDN₀与轨道倾角偏置量Δi₀的收敛方向，计算所有降交点地方时偏置量ΔLTDN₀及对应轨道倾角偏置量Δi₀，并选取每个降交点地方时偏置量ΔLTDN₀对应的最优对应轨道倾角偏置量Δi₀；

(4)于步骤(3)计算所有降交点地方时偏置量ΔLTDN₀和对应的最优轨道倾角偏置量Δi₀中，选择所有降交点地方时偏置量ΔLTDN₀及对应的轨道倾角偏置量Δi₀中降交点地方时漂移量最小值的[ΔLTDN₀，Δi₀]组合作为双偏置最优匹配参数；

(5)根据步骤(4)所得的双偏置最优匹配参数计算与步骤(1)中所述的标称降交点地方时LTDN₀，计算更新后降交点地方时LTDN'₀和倾角i'₀。

所述步骤(2)中，判断降交点地方时偏置量ΔLTDN₀与轨道倾角偏置量Δi₀的收敛方向的具体判据如下：

当标称降交点地方时位于中午12:00AM之前且00:00AM之后时，降交点地方时偏置量ΔLTDN₀取值为朝向上午方向，且轨道倾角偏置量Δi₀取值为正值；反之降交点地方时偏置量ΔLTDN₀取值为朝向下午方向，轨道倾角偏置量Δi₀取值为负值；

LTDN₀∈[00:00AM,12:00AM)，Δi₀>0&ΔLTDN₀<0

LTDN₀∈[12:00PM,24:00PM)，Δi₀<0&ΔLTDN₀>0。

所述步骤(3)中，根据步骤(2)所得降交点地方时偏置量ΔLTDN₀与轨道倾角偏置量Δi₀的收敛方向，采用变步长法计算所有降交点地方时偏置量ΔLTDN₀，及每个降交点地方时偏置量ΔLTDN₀对应的多个轨道倾角偏置量Δi₀，并根据标称降交点地方时LTDN₀的判定条件，选取该降交点地方时偏置量ΔLTDN₀对应的最佳轨道倾角偏置量Δi₀；

最优轨道倾角偏置量Δi₀对应的标称降交点地方时LTDN₀应满足如下判据：

|abs(max(LTDN(t)-LTDN₀))-abs(min(LTDN(t)-LTDN₀))|≤1s

LTDN(t)为交点地方时漂移量，当选取的降交点地方时偏置量ΔLTDN₀对应的多个轨道倾角偏置量Δi₀中，每一个轨道倾角偏置量Δi₀对应的唯一降交点地方时漂移量LTDN(t)满足上述判据时，该降交点地方时偏置量ΔLTDN₀有唯一对应的最优轨道倾角偏置量Δi₀。

所述步骤(5)中，更新后降交点地方时LTDN'₀和倾角i'₀的计算公式为：

LTDN'₀＝LTND₀+ΔLTDN₀，i'₀＝i₀+Δi₀。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明是针对减缓太阳同步轨道降交点地方时漂移的多自由度偏置被动控制方法，相比以往单一的倾角偏置方法：可以大幅压缩入轨以后的降交点地方时漂移范围，提出的被动控制原理和计算流程更为优化；可以满足更高精度的降交点地方时漂移控制要求，计算结果精确；按照给出的降交点地方时和倾角双偏置收敛取值方向，计算量少；可以实现更长卫星设计寿命的降交点地方时非主动控制保持，节省燃料。

附图说明

图1为发明提供的双偏置控制方法流程图；

图2为发明提供的倾角单偏置优化时的降交点地方时漂移图；

图3为发明提供的降交点地方时和倾角双偏置时的降交点地方时漂移图；

具体实施方式

一种太阳同步轨道降交点地方时双偏置被动控制方法，如图1所示，具体步骤如下：

(1)获取太阳同步轨道地方时调整任务预设的太阳同步轨道运行高度H、标称降交点地方时LTDN₀和卫星设计寿命T；

根据专利：《兼顾多任务高度的太阳同步轨道倾角偏置方法》，ZL201310108729.6，中的公式(1)计算工作高度H对应的标称倾角i₀，两者之间的关系，满足下列条件：

其中，p＝a(1-e²)，a＝R_e+H，R_e为地球半长轴，e为轨道偏心率，μ为地球引力常数，J₂为地球引力二阶带谐项系数，J₄为地球引力四阶带谐项系数，n_s为地球公转角速度，为地球非球形引力四阶摄动项。

(2)根据步骤(1)所得的标称降交点地方时LTDN₀所处时间区间和允许的降交点地方时漂移范围，判断降交点地方时偏置量ΔLTDN₀与轨道倾角偏置量Δi₀的收敛方向，其中：判断降交点地方时偏置量ΔLTDN₀与轨道倾角偏置量Δi₀的收敛方向的具体判据如下：

当标称降交点地方时位于中午12:00AM之前且00:00AM之后时，降交点地方时偏置量ΔLTDN₀取值为朝向上午方向，且轨道倾角偏置量Δi₀取值为正值；反之降交点地方时偏置量ΔLTDN₀取值为朝向下午方向，轨道倾角偏置量Δi₀取值为负值；

LTDN₀∈[00:00AM,12:00AM)，Δi₀>0&ΔLTDN₀<0

LTDN₀∈[12:00PM,24:00PM)，Δi₀<0&ΔLTDN₀>0

(3)根据步骤(2)所述的降交点地方时偏置量ΔLTDN₀与轨道倾角偏置量Δi₀的收敛方向，采用变步长法计算所有降交点地方时偏置量ΔLTDN₀对应的轨道倾角偏置量Δi₀与该轨道倾角偏置量Δi₀对应的降交点地方时漂移范围，并根据标称降交点地方时LTDN₀的判定条件，选取该降交点地方时偏置量ΔLTDN₀对应的最佳轨道倾角偏置量Δi₀；

所述步骤(3)中，最佳轨道倾角偏置量Δi₀满足如下条件：

其中，i^*为黄道倾角，u^*为中间变量，u^*＝15·LTDN₀。

对应的标称降交点地方时LTDN₀应满足如下判据：

|abs(max(LTDN(t)-LTDN₀))-abs(min(LTDN(t)-LTDN₀))|≤1s

每一次ΔLTDN₀取值均可计算得到最佳匹配的Δi₀，使得寿命期内LTDN(t)变化范围中的最大值和最小值的绝对值相等，同理Δi₀采用变步长取值计算。在ΔLTDN₀或Δi₀收敛计算过程中，上述公式中的abs(max(LTDN(t)-LTDN₀))与abs(min(LTDN(t)-LTDN₀))值的大小出现相互反超时，采用更小步长进行精确计算，直至ΔLTDN₀精确到秒级。对于特定的ΔLTDN₀，有唯一的Δi₀与之配对，使得LTDN(t)的极大值和极小值相差最小；

(4)于步骤(3)计算所有降交点地方时偏置量ΔLTDN₀和对应的最佳轨道倾角偏置量Δi₀，选择所有降交点地方时偏置量ΔLTDN₀及对应的轨道倾角偏置量Δi₀中降交点地方时漂移量最小值作为双偏置最优匹配参数，其中，所述步骤(4)中，降交点地方时漂移量为经过双偏置被动控制以后，寿命期内的所有降交点地方时相对标称降交点地方时ΔLTDN₀的最大值最小。

(5)根据步骤(4)所得的双偏置最优匹配参数计算与步骤(1)中所述的标称降交点地方时LTDN₀，计算更新后降交点地方时LTDN'₀和倾角i'₀。

LTDN'₀＝LTND₀+ΔLTDN₀，i'₀＝i₀+Δi₀

将[LTDN'₀，i'₀]分别作为运载计算入轨发射窗口的初始降交点地方时和入轨倾角。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

以某颗发射至600km高度的太阳同步圆轨道卫星为例，标称降交点地方时为7:00AM，卫星设计寿命为8年。

当使用倾角单偏置法时，倾角需要正向偏置0.0937°，初始降交点地方时为7:00AM，则未来8年的降交点地方时变化范围为7:00:00AM±00:30:02，若不进行倾角偏置，则8年寿命末期的降交点地方时将会漂移至05:28:45AM，如图2所示。

当使用本发明的倾角和初始降交点地方时双偏置法时，优化得到初始降交点地方时应为06:41:00AM，同时入轨的倾角应正向偏置0.0978°，可以保证未来8年的降交点地方时漂移范围不超出7:00:00AM±00:19:59，如图3所示。

单偏置法和双偏置法的对比如下：

表1两种偏置方案和效果对比

以上计算表明，双偏置法比单偏置法可以继续压缩1/3的降交点地方时漂移范围，此双偏置方法在卫星更长的设计寿命中优势更为明显。

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。