平流层卫星轨道控制建模与仿真研究

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1、第27卷第9期计算机仿真2010年9月文章编号：1006—9348(2010)09—0079一04平流层卫星轨道控制建模与仿真研究张绪斌1，赵晓蓓1，符文星2(1．西北工业大学航空学院，陕西西安710072；2．西北工业大学航天学院，陕西西安710072)摘要：平流层卫星由超压气球提供静浮力，气动帆提供轨道控制力，系绳传递各力。能够在一定纬度范围内沿东西方向缓慢运动。因此平流层卫星是一种良好的通信与对地观测平台。首先分析平流层风场特性，给出乎流层卫星的组成与工作原理，采用“质量一集中弹性绳”模型，把气球和气动帆分别看作系绳节点，根据

2、各部分动力学特性分别建模；采用Matlab软件平台进行动态仿真，利用不同海拔之间的风速差，产生侧向控制力进行南北方向轨道控制的方法。仿真结果证实气动帆轨道控制系统能够实现平流层卫星南北方向的稳定控制与机动调整。关键词：平流层卫星；质量一集中弹性绳；轨道控制；动态仿真中图分类号：V249．1文献标识码：BResearchofStratosphericSatelliteOrbitControlModelingandSimulatingZHANGXu～binl．ZHA0Xiao—beil，FUWen—xin92(1．SchoolofAer

3、onautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’anShanxi710072，China；2．CollegeofAstronautics，NorthwesternPolytechniealUniversity，XilmShanxi710072，China)ABSTRACT：Staticbuoyancyprovidedbysuper—pressurizedballoon，orbitcontrolforceprovidedbyStrato—Sail。eachforcetransferred

4、bytether．Stratosphericsatellitemovesslowlytowardeastandwestingivenlatitude．ItisallexceRentplatformofcommunicationsandsurveillance．Thecharacteristicofstratospherewindfieldisanalyzed．Theconstitutionandprincipleofstratosphericsatelliteisdiscussed．Usingamodeloflump—nla8$一a

5、nd—spring。consid-eringthesuper—pressurizedballoonandStrato—Sailasthetethernodes．eachcomponentismodeledbasedondy·namiccharacteristic．SimulatedbyMatlab／Simulink，thecontrolmethodisstudiedtoexploitthedifferenceofwindvelocityatdifferentaltitudestogeneratelateralforcestocont

6、rollatitudeorbit．SimulationresultsshowthattheStrato—SailorbitcontrolsystemCallachievethesteadycontrolandadjustthelatitudepositionofstratosphericsatellite．KEYWORDS：Stratosphericsatellite：Lump—Inass—and—springtether；Orbitcontrol；Dynamicsimulationl引言平流层是大气层中最平静的一段，不受天气影响，

7、有着良好的电磁特性，人们一直尝试利用平流层载运平台携带不同的有效载荷进行通信和地球观测。目前平流层长航时飞行器主要有高空气球、飞艇和平流层卫星三种。高空气球只能在预定的空气密度层悬浮，完全不可控；飞艇采用螺旋桨作为动力抗风，能耗较大，制约了其发展；平流层卫星利用平流层底部反向风产生轨道控制力，使其在一定纬度范围内沿东西方向缓慢运动，是一种低能耗、长航时的临近空间载运平台，它工作于20Kin高度，与传统卫星等相比，工作高度低，能够获取更高的观测精度，传输延迟短、信号衰减小；与收稿日期：2009—07—02修回日期：2009—08—11

8、飞机等相比，工作高度高，覆盖范围大，工作时间也相对较长；此外平流层卫星成本较低，各国都在积极探索。本文首先分析平流层风场特性，引出平流层卫星的组成与工作原理，采用“质量一集中弹性绳”模型对系统各部分进行分析与建模，研究平流层卫星轨道控