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1、412008年12月中国空间科学技术第1期CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY倾斜同步轨道卫星交叉点位置演化及保持1,22朱民才胡松杰(1北京航空航天大学,北京100191)(2北京航天飞行控制中心,北京100094)摘要倾斜同步轨道(IGSO)卫星交叉点位置在各种轨道摄动因素和入轨偏差的共同影响下,其交叉点位置会在赤道上发生漂移,这种漂移将导致服务区域的漂移,从而影响系统的性能,因此IGSO卫星需要进行定期的交叉点位置保持来保证服务的稳定。对IGSO卫星交叉点位置的演化和保持问题进行了深入的研究,首先,讨论了
2、IGSO卫星交叉点位置的演化规律,给出了在地球非球形引力、日月引力摄动以及卫星入轨偏差作用下的交叉点位置的演化公式,并分析了公式的精度;接着,在对交叉点位置演化规律的分析基础上,进一步讨论了IGSO卫星交叉点位置保持策略。关键词倾斜同步轨道位置保持轨道摄动导航卫星1引言倾斜同步轨道(IGSO)是指倾角不为0的地球同步轨道,其星下点轨迹是一个跨南北半球的“8”字,其星下点轨迹与赤道相交于一点,该点常称之为交叉点。IGSO卫星的交叉点位置在轨道摄动以及卫星实际工作轨道与设计轨道间偏差(下文简称入轨偏差)的影响下,会在赤道上发生漂[1-2]移,
3、从而导致服务区域的漂移;因此IGSO卫星需要对交叉点位置进行定期的保持来保证服务区域的稳定;但由于目前尚无在轨运行的IGSO卫星,因此对IGSO卫星的交叉点位置演化和保持问题的研究还不是很多。目前,国际电联对地球静止轨道(GEO)卫星的定点保持有着严格的要求:GEO卫星只能在其定点位置±011°的范围内运动,一旦超出此范围就必须对卫星进行位置保持控制,而对IGSO卫星尚没有明确的要求;因此只要能满足服务性能的要求,IGSO卫星的交叉点位置漂移范围(保持盒)可以放的很大。由于GEO卫星保持盒小,两次位置保持之间的时间间隔较短(一般为半个月)
4、,因[3]此在研究GEO卫星点位演化和保持策略时,可将地球重力场田谐项引起的田谐共振进行线性化[4-5]处理,而对IGSO卫星,因其保持盒可能很大,两次保持之间的时间间隔会较长,如果对田谐共振同样进行线性化处理,那么就需要对这种处理的有效性进行分析。2IGSO卫星交叉点位置演化IGSO卫星的交叉点位置可以用卫星过升交点时对应的地理经度来描述,即ΩG=ΩG0+N(ΩC-ωe)T(1)式中ΩG为交叉点位置经度;ΩG0为初始时刻的交叉点位置经度;ΩC为升交点赤经的变化率;ωe为收稿日期:2008206212。收修改稿日期:20082082044
5、2中国空间科学技术2009年2月地球自转角速度;T为卫星过升交点的交点周期;N为卫星从初始时刻起运行的周期数(对IGSO卫星可看作是从初始时刻起算的整天数)。这样,IGSO交叉点位置变化ΔΩG可以描述为ΔΩG=N(ΩC-ωe)T(2)由于IGSO卫星实际轨道交叉点周期在入轨偏差以及轨道摄动作用下,并不等于地球的自转周2π期,而存在一小偏差,即T=+δT,这里,δT为相应的偏差,有ωeδn2π2δT=-+o(δn)(3)ωeωe式中δn为IGSO卫星实际平均运动角速度与地球自转角速度之间的差异。于是,式(2)可近似写为2πΔΩG=(ΩC+δ
6、n)N-2Nπ(4)ωe去掉整周项后,便可得描述交叉点位置经度长期变化的表达式:2πΔΩG=(ΩC+δn)N(5)ωe式中的ΩC和δn,主要由轨道摄动和入轨偏差导致,其中地球非球形引力摄动和第三体引力摄动是主要轨道摄动因素。对IGSO卫星而言,地球扁率摄动和日月引力摄动是导致卫星的升交点赤经的长期变化和平均运动角速度变化的主要摄动源,即有ΩC=Ω1+Ω2(6)δn=λ1+λ2+δn0(7)式中Ω1、λ1为地球扁率摄动导致的升交点赤经以及卫星纬度角的长期变化率;Ω2、λ2为日月引力摄动引起的升交点赤经以及卫星纬度角的长期变化率。文献[1]和
7、文献[3]中给出了这些摄动项的详细表达式,可以直接引用;δn0为初始时刻实际轨道平均运动角速度和设计平均运动角速度之间的偏差。除了地球扁率和日月引力引起的IGSO交叉点位置的长期线性变化之外,IGSO在地球田谐摄动的影响下将出现轨道共振现象,其中最主要的是J2,2项引起,共振将导致轨道半长轴的长周期变化,也即卫星平均运动角速度的长周期变化,下面来讨论这种长周期变化。在J2,2项的作用下,因轨道共振导致的半长轴长周期变化可写为da3ReJ2,22=n(1+cosi)sin2(ΩG-λ2,2)(8)dta式中a为轨道半长轴;n为卫星平均运动角
8、速度;i为卫星轨道倾角;Re为地球赤道半径;λ2,2为J2,2对应赤道椭圆的对称轴的经度,有S2,2tan2λ2,2=(9)C2,2式中C2,2和S2,2项为地球引力场的2度2阶的球谐系数。由
