椭圆轨道卫星空间任意位置悬停的方法

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1、2010年12月第6期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology椭圆轨道卫星空间任意位置悬停的方法朱亚文闰野(国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要对任务星施加持续的控制加速度，使其在飞行过程中相对于目标卫星的空间位置保持不变，即实现任意位置悬停飞行。通过对任务星与目标星的相对运行分析和重力差异补偿分析，给出了在飞行过程中任务星相对于运行在椭圆轨道上的目标星实现任意位置悬停所需的径向、切向和法向控制加速度公式。最后对典型悬停飞行过程进行了动力学仿真，并对不同悬停飞行任务的能量消耗进行了对比分析，

2、表明在一段时间内对任务星进行轨道悬停是可行的。关键词椭圆轨道悬停控制能量消耗卫星1引言航天器实现对于特定空间目标的空间操作，将是未来空间活动的起点和核心[1]。空间操作主要包括空间交会对接、在轨释放有效载荷、在轨监视与服务、轨道与姿态重置和拦截撞击等Ll叫]，在执行这些任务的过程中，经常会使用到悬停技术。传统的航天器悬停技术主要用于探测器对小行星表面、彗星面和近月面的定点探测L5-8]，其实质是航天器对近地面的悬停。本文研究的是航天器对空间目标卫星的悬停运动。文中悬停的定义[2_31实质是在指定坐标系中，任务卫星相对于目标卫星是静止不动的，相对位置不变

3、，相对加速度为零。任务卫星为实现悬停飞行受到持续控制加速度的作用，一般运行于非开普勒轨道。目前的研究工作主要包括任务卫星在圆轨道卫星正下方进行悬停的动力学与控制方法[2]，相对圆轨道目标卫星进行任意位置悬停的方法[3]，悬停技术在悬停编队和交会控制中的应用n1等。本文的研究内容适用于任务星对椭圆轨道目标卫星进行任意位置悬停飞行的情况。旨在分析实现任意位置悬停时目标星和任务星的受力情况，给出悬停加速度控制方案，对典型悬停飞行过程进行动力学仿真，并对不同悬停飞行任务的能量消耗进行对比分析。2问题描述建立地心轨道坐标系oe—XYZ，X指向目标星轨道近地点方向

4、，y轴垂直于X轴指向，=90。方向。目标卫星T的轨道偏心率为e，设当前时刻为t，真近点角为，，地心距为，．。为方便分析。以T星的质心为原点建立地心轨道坐标系o。一XyZ的平移坐标系T—zyz。任务星S相对于T星的悬停位置由参数志、口、卢表示，k为悬停距离，Gt为悬停方位角，p为高低角，定义方式如图1，R为T星地心矢径的垂直方向。本文中S星的悬停飞行任务可描述为：在悬停飞行过程中，通过控制S星使其相对于T星的距离、方位角、高低角保持不变。国家863课题资助(2007AA704304)收稿Il期I20lO—04—06．收修改稿日期。2010·06·0618

5、中国空间科学技术2010年12月图1任务星S和目标星T位置关系示意图Fig．1Positionrelationshipbetweenmissionsatelliteandtargetsatellite首先分析任务星S的运行平面和目标星T的轨道面之间的关系。a

6、意位置悬停的动力学问题分解成两步进行分析：首先分析S星在T—zyz坐标系中的运动；其次分析S星和T星受到的地心引力差以及在悬停飞行中的补偿方法。3．1任务卫星与目标卫星的相对运动分析由于悬停距离k远远小于地球半径，在相对运动分析中，可以认为S星和T星所受的日月引力摄动近似相等。地球非球形摄动对两颗卫星的运动影响较大，但两星受到的摄动力之差对任务星悬停控制能量消耗的影响较小。因此，在相对运动初步分析中可以使用二体问题引力场模型。S星和丁星的受力分析示意图如图2所示，S7为S星在xy平面内的投影。T星在O。一XYZ坐标系中的位置表示为图2S星与T星的受力分

7、析示意图Fig．2Forceanalysisformissionsatelliteandtargetsatellite刖嗣㈩刖主三毪捌]㈤眺㈨一rcosf+kc．os／9eosO】㈣；!!!生!!旦生里窒囹壁堂丝查12其中：口=f+-b“'-一口(4)／-考虑悬停定义，在任务星悬停飞行过程中k、p和口为常数，分析式(2)知，在T—zyz坐标系中，S星对T星的相对运动可分解为轨道平面(xy平面)内和垂直于轨道平面(z方向)的两个相互独立的运动。z、Y方向的运动均只与T星的轨道真近点角，相关，并且可以看出任务星S相对于T星轨道平面之间的距离d=z=ksin

8、B为常数。因此，在T—zyz坐标系中，S星对T星的相对运动问题实质可以转化为xy平面内的相对运