快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間快速響應(yīng)是指在發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)或自然災(zāi)害等突發(fā)事件時(shí)，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成航 天器的生產(chǎn)、裝配、測(cè)試和發(fā)射任務(wù)，并盡快地使航天器進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)軌道，實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能。 快速響應(yīng)包括快速進(jìn)入空間和快速應(yīng)用空間兩方面。前者要求運(yùn)載火箭具備在數(shù)小時(shí)內(nèi)將 有效載荷送入用戶指定軌道的能力?？焖賾?yīng)用空間要求不能按照現(xiàn)有空間利用方法，在衛(wèi) 星入軌后還要花費(fèi)數(shù)月時(shí)間完成在軌測(cè)試與校正的話，快速進(jìn)入空間也將失去快速響應(yīng)的 意義?？臻g快速響應(yīng)軌道是指能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)空間任務(wù)的軌道?？焖夙憫?yīng)空間軌道需滿足 以下要求：
[0003] (1)應(yīng)急能力，以該軌道為目標(biāo)的衛(wèi)星，在發(fā)射后幾小時(shí)內(nèi)即可返回?cái)?shù)據(jù)；
[0004] (2)低成本，有效載荷可利用小型發(fā)射工具進(jìn)行發(fā)射入軌，發(fā)射成本低；
[0005] (3)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間短，入軌后短時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的訪問；
[0006] (4)重復(fù)性高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的重復(fù)觀測(cè)。
[0007] 根據(jù)快速響應(yīng)空間技術(shù)對(duì)應(yīng)急軌道的要求，能滿足上述要求的應(yīng)急軌道主要有兩 類:低地球軌道(LE0)和較低的大橢圓軌道(ΗΕ0)。通?？紤]的軌道有眼鏡蛇軌道、魔法軌 道、太陽同步LE0、快速進(jìn)入LE0和重復(fù)覆蓋LE0。其中快速進(jìn)入的近地軌道和重復(fù)覆蓋的低 地球軌道適合于指定區(qū)域的應(yīng)急偵察監(jiān)視任務(wù)。應(yīng)急偵察監(jiān)視任務(wù)要求偵察衛(wèi)星在接到任 務(wù)需求后能夠快速獲取地面目標(biāo)的信息并完成數(shù)據(jù)回傳，這一特點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星在軍民方面均具 有極高的應(yīng)用價(jià)值。
[0008] 眾多研究人員針對(duì)指定區(qū)域的應(yīng)急偵察任務(wù)提出了快速響應(yīng)軌道設(shè)計(jì)方法，其核 心思想是針對(duì)給定的目標(biāo)區(qū)域建立快速響應(yīng)軌道的優(yōu)化模型，采用數(shù)值優(yōu)化算法，搜索最 優(yōu)解，因而存在計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)、模型不通用的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，該發(fā)明解決了現(xiàn)有快速 響應(yīng)軌道設(shè)計(jì)方法存在計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)、模型不通用的技術(shù)問題。
[0010] 本發(fā)明提供一種快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟S100:構(gòu)建快速重訪衛(wèi)星軌道的設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)模型包括:軌道的回歸圈數(shù)N 和回歸天數(shù)D，軌道的軌道傾角i和軌道的升交點(diǎn)從Μ點(diǎn)到P點(diǎn)時(shí)在軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)過的整圈數(shù)n，其 中，Μ點(diǎn)為在軌衛(wèi)星升段過程中對(duì)地面目標(biāo)點(diǎn)L訪問時(shí)，軌道的升交點(diǎn)在赤道上的位置任意 點(diǎn);Ρ點(diǎn)為在軌衛(wèi)星降段過程中對(duì)目標(biāo)點(diǎn)L訪問時(shí)，軌道的升交點(diǎn)在赤道上的位置任意點(diǎn)；
[0012] 步驟S200:在設(shè)計(jì)模型中帶入無約束條件下優(yōu)化得到的回歸圈數(shù)Ν、回歸天數(shù)D和 整圈數(shù)η，計(jì)算得到快速重訪衛(wèi)星軌道的軌道傾角i ;
[0013] 步驟S300:將升交點(diǎn)進(jìn)動(dòng)角速度Ω計(jì)算公式和升交點(diǎn)周期1計(jì)算公式帶入設(shè)計(jì)模 型中，得到軌道的軌道高度Η計(jì)算公式，將步驟S200中得到的軌道傾角i帶入軌道高度Η計(jì)算 公式中，計(jì)算得到軌道的軌道高度Η;
[0014] 步驟S400:獲取目標(biāo)點(diǎn)L的經(jīng)度和煒度％，并將步驟S200中得到的軌道傾角i、回 歸圈數(shù)N和回歸天數(shù)D，帶入設(shè)計(jì)模型中，求解軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω ;
[0015] 步驟S500:依據(jù)計(jì)算得到的軌道高度H、軌道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω確定具有快速響 應(yīng)功能的快速重訪衛(wèi)星軌道。
[0016] 進(jìn)一步地，設(shè)軌道過頂目標(biāo)點(diǎn)的升交點(diǎn)必須經(jīng)過Μ點(diǎn)，同時(shí)設(shè)軌道的升交點(diǎn)重復(fù)交 替地經(jīng)過Μ點(diǎn)和Ρ點(diǎn)，得到設(shè)計(jì)模型包括：
[0018] 其中ω0為地球自轉(zhuǎn)角速度，?為升交點(diǎn)進(jìn)動(dòng)角速度，Ts為升交點(diǎn)周期，i為軌道傾 角，外為目標(biāo)點(diǎn)煒度，為目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度，η為升段訪問目標(biāo)點(diǎn)和降段訪問目標(biāo)點(diǎn)之間衛(wèi)星轉(zhuǎn) 過的圈數(shù)。
[0019] 進(jìn)一步地，Μ點(diǎn)的經(jīng)度人3與目標(biāo)點(diǎn)L經(jīng)度λτ和煒度典、Ρ點(diǎn)的經(jīng)度λ Ρ與目標(biāo)點(diǎn)L經(jīng)度Al 和煒度I，分別滿足下式：
[0021]進(jìn)一步地，設(shè)軌道的升交點(diǎn)重復(fù)交替地經(jīng)過Μ點(diǎn)和P點(diǎn)時(shí)，軌道為回歸軌道，滿足 乂 -= ?7： (?, -??)，將該公式帶入式2中得到：
[0024]進(jìn)一步地，為使衛(wèi)星過頂目標(biāo)點(diǎn)升交點(diǎn)經(jīng)過Μ點(diǎn)，升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω為：
[0026]進(jìn)一步地，以衛(wèi)星在軌的重訪時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，重訪時(shí)間計(jì)算公式：
，其中Τ為軌道的軌道周期；
[0027]
，將重訪時(shí)間公式對(duì)回歸天數(shù)D、回歸圈數(shù)N和整圈數(shù)η求偏導(dǎo)，得到在無約 束條件下，軌道最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的回歸圈數(shù)Ν、回歸天數(shù)D和整圈數(shù)η。
[0028] 進(jìn)一步地，將圓軌道的升交點(diǎn)進(jìn)動(dòng)角速度Ω的計(jì)算公式和軌道的升交點(diǎn)周期1帶
中得到軌道高度Η的計(jì)算公式

力系數(shù)，J2為常數(shù)，ae為地球半徑，Η為軌道高度，且有μθ = 398603 X 109m3/s2，J2 = -1082.627 X10-6，ae = 6378163m。
[0029] 進(jìn)一步地，圓軌道的升交點(diǎn)進(jìn)動(dòng)角速度?的計(jì)算公式為
[0030] 進(jìn)一步地，升交點(diǎn)周期Ts的計(jì)數(shù)公式.
[0031] 本發(fā)明的技術(shù)效果：
[0032] 本發(fā)明提供快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法針對(duì)指定區(qū)域的快速偵察監(jiān)視任務(wù)的需 求，設(shè)計(jì)后得到的低軌圓軌道的升段、降段均過頂?shù)孛婺繕?biāo)，使在軌衛(wèi)星可以在不進(jìn)行測(cè)擺 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一天內(nèi)對(duì)地面目標(biāo)的兩次觀測(cè)，提高在軌衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)地物的重復(fù)率，提高了 衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的分辨率，使得星上無需搭載復(fù)雜的載荷即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的準(zhǔn)確觀測(cè)，降 低了星上有效載荷的復(fù)雜性，滿足了快速響應(yīng)軌道的低成本、高重復(fù)性及快速響應(yīng)性等要 求。
[0033] 具體請(qǐng)參考根據(jù)本發(fā)明的快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法提出的各種實(shí)施例的如下 描述，將使得本發(fā)明的上述和其他方面顯而易見。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明提供的快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法流程示意圖；
[0035] 圖2是本發(fā)明提供的快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法的優(yōu)選實(shí)施例的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí) 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0037] 本發(fā)明快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法建立了升段降段均過頂?shù)孛婺繕?biāo)的重復(fù)觀察 軌道數(shù)學(xué)模型;得到了該類型軌道的軌道根數(shù)約束方程及該約束方程有解的條件;建立了 重復(fù)觀察軌道優(yōu)化模型；分析了該類型軌道根數(shù)對(duì)重訪時(shí)間的影響，最終得到了重復(fù)觀察 軌道的解析最優(yōu)解。
[0038] 參見圖1~2,本發(fā)明提供的快速重訪衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：
[0039] 步驟S100 :構(gòu)建快速重訪衛(wèi)星軌道的設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)模型包括:軌道的回歸圈數(shù)N 和回歸天數(shù)D，軌道的軌道傾角i和軌道的升交點(diǎn)從Μ點(diǎn)到P點(diǎn)時(shí)在軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)過的整圈數(shù)n，其 中，Μ點(diǎn)為在軌衛(wèi)星升段對(duì)地面目標(biāo)點(diǎn)L訪問時(shí)升交點(diǎn)在赤道上的投影點(diǎn);P點(diǎn)為在軌衛(wèi)星降 段對(duì)目標(biāo)點(diǎn)L訪問時(shí)升交點(diǎn)在赤道上的投影點(diǎn)；
[0040] 步驟S200:在設(shè)計(jì)模型中帶入無約束條件下優(yōu)化得到的回歸圈數(shù)N、回歸天數(shù)D和 整圈數(shù)η，計(jì)算得到快速重訪衛(wèi)星軌道的軌道傾角i ;
[0041] 步驟S300:將升交點(diǎn)進(jìn)動(dòng)角速度_0_計(jì)算公式和升交點(diǎn)周期1計(jì)算公式帶入設(shè)計(jì)模 型中，得到軌道的軌道高度Η計(jì)算公式，將步驟S200中得到的軌道傾角i帶入軌道高度Η計(jì)算 公式中，計(jì)算得到軌道的軌道高度Η;
[0042] 步驟S400:獲取目標(biāo)點(diǎn)L的經(jīng)度λτ和煒度外，并將步驟S200中得到的軌道傾角i、回 歸圈數(shù)N和回歸天數(shù)D，帶入設(shè)計(jì)模型中，求解軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω ;
[0043] 步驟S500:依據(jù)計(jì)算得到的軌道高度H、軌道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω確定具有快速響 應(yīng)功能的快速重訪衛(wèi)星軌道。
[0044] 具體的包括以下步驟：
[0045] 步驟S100:獲取任意定地面目標(biāo)點(diǎn)L的經(jīng)度和煒度％，構(gòu)建快速重訪衛(wèi)星軌道的 數(shù)學(xué)模型。
[0046]衛(wèi)星升段過程中對(duì)目標(biāo)點(diǎn)L訪問時(shí)升交點(diǎn)位于赤道的Μ點(diǎn)，衛(wèi)星降段對(duì)目標(biāo)點(diǎn)訪問 時(shí)升交點(diǎn)位于赤道的Ρ點(diǎn)?？紤]地球扁率J2項(xiàng)攝動(dòng)作用，在圓軌道的基礎(chǔ)上計(jì)算推導(dǎo)出Μ、Ρ 點(diǎn)的經(jīng)度：
[0048]其中人為|/[點(diǎn)的經(jīng)度，λΡ為Ρ點(diǎn)的經(jīng)度，i為軌道傾角，Ts為升交點(diǎn)周期，為地球 自轉(zhuǎn)角速度，以為升交點(diǎn)進(jìn)動(dòng)角速度，1^為升交點(diǎn)周期。
[0049]首先，要使衛(wèi)星過頂目標(biāo)點(diǎn)升交點(diǎn)必須經(jīng)過Μ點(diǎn)，故升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω可取為：
[0051] 其次，若升交點(diǎn)重復(fù)交替地經(jīng)過Μ、Ρ點(diǎn)，則衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)升降段重復(fù)觀察地面目標(biāo) 點(diǎn)，快速重訪衛(wèi)星軌道為回歸軌道，且還需滿足下式：
[0052] λα-λρ =ηΤ{ω -〇) (3)
[0053] 其中，η為升交點(diǎn)從Μ點(diǎn)到Ρ點(diǎn)時(shí)衛(wèi)星轉(zhuǎn)過的整圈數(shù)。
[0054]將式（1)代入式(3)得到：
[0056]最后，由軌道力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)可知回歸軌道需滿足下式
[0058]其中，N為回歸圈數(shù)，D為回歸天數(shù)。
[0059]將式(5)代入式(4)，并結(jié)合式(2)，得到快速重訪衛(wèi)星軌道的數(shù)學(xué)模型：
[0061]由式(6)可知一組D、N和η可以唯一確定一條快速重訪衛(wèi)星軌道，故在優(yōu)化設(shè)計(jì)快 速重訪衛(wèi)星軌道時(shí)將D、N和η作為變量。
[0062] 步驟S200:通過D、N和η得到最優(yōu)的快速重訪衛(wèi)星軌道的軌道傾角：
[0063] 升段觀察目標(biāo)點(diǎn)后降段觀察目標(biāo)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為重訪時(shí)間，是快速響應(yīng)軌道 的一項(xiàng)重要指標(biāo)。以重訪時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，在無其它約束條件下得到快速重訪衛(wèi)星軌道的 最優(yōu)解。重訪時(shí)間可由下式計(jì)算：
[0065] 忽略軌道傾角對(duì)軌道周期Τ的影響即
，將重訪時(shí)間對(duì)優(yōu)化變量D、N和η求偏導(dǎo) 得到：
[0067]