空间交会对接调相轨道误差特性分析

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1、空间交会对接调相轨道误差特性分析1引言轨策略分析和精度需求分析，针对飞船开展地面导六问粪望奎耋翌萎量耋譬妻2裹纂謦鬯曼鬈2轨道预报相位误差特性分析空间交会是两个航天器在同一时间到达同一空间位‘唧。塌坍垠旧出瞩仨门Ⅱ川1¨徽嘉篙淼淼，嚣季霎们⋯=胁=C历山㈩首先发射，在飞船人轨前的数月时间内，利用大气衰”“”⋯一J0””一JoV。⋯，“¨7减和变轨调整相位、高度和偏心率，使其在飞船人轨其中口(f)为轨道半长轴。记q时(￡)为标称轨道半长飞船入轨后，首先由地面对飞船实施测轨和轨控，将轴，将＼／弓专在标称值附近泰勒展开并取一阶项．．二篓裂詈要芝宅标霉

2、蚕霎萎要要登曼曼彗翌竺摹记见耐。≥篇：。。，、钆。。，为标称轨道相位，则篓誓戮冀燃篡搿相标航天们品(0)；p孟(o)⋯⋯．器后，自主完成相对运动的测量与控制。⋯’～～。’小“”“⋯7段飞麓萎筹嚣篙翥凳?薯凳差篙耋芸黧羔号^V／鸟a,aCt)陋“w训出㈥段飞船轨道特性开展研究。首先进行轨道预报误差‘一工程报告载人航天2010年第4期黼到V盘腑聱音＼／盘削洹’、／—丝1可视作常值。根据摄动运动方程lll，有Vq蹦(‘)粤皿：一2a(r)2[aresinf+a'(1+ecosf)](3)机～KP其中，口，、q为径向和沿迹向摄动加速度，e、P，分别为轨

3、道偏心率、半通径和真近点角。考虑到大气模型偏差是主要的力学模型偏差，实际轨道与标称轨道的径向摄动基本相同，沿迹向大气阻力真实值与计算值的偏差为缓变的时变量，且变化范围不大，取其常值上界代替时变偏差，可得到口(r)一见耐(r)=【p(O)一见“(O)】。一手＼／告似0)‰(。)It一警，(4)由上式可知，真实轨道与偏差轨道r时刻的相位差包含三个分量：常值初始相位偏差[o(o)-o“(0)】、系数包含半长轴初始偏差的时间线性项、系数包含力模型偏差(大气阻力偏差)的时间平方项。根据(4)式，于实际的轨道预报误差，最小二乘意义下的对应系数可进行解算。记

4、轨道预报误差时刻采样序列为难[屯]乩：．⋯。，对应采样时刻的轨道预报误差实际值序列为Y=[Yik∽．3'¨．m，则．Y=Ko(屯。根。(‘)1枨2(t；)‘(5)记B=[(屯)”，(‘)‘，(ti)‘k：．⋯。，则lKI％lBIK。J=l，lKll=BY(6)㈦【K2J注：曰通常不是方阵，因此需要求伪逆。采用上述方法利用几个实际轨道预报误差算例进行系数解算，对应的相位预报误差拟合值与实际值比对及解算系数如图1所示。由图l可知。轨道相位预报误差的拟合值可以很好地描述实际值的变化，说明了误差特性分析的合理性。对于有轨控的情况，由于轨控过程通常可看作

5、瞬时冲量，轨控效果可以看作半长轴初值的瞬时变化，因此轨控偏差对相位偏差的影响与半长轴初值系数值图1轨道相位预报误差实际值与拟合值的比对及拟合系数偏差的影响相同，本文不再论述。3目标航天器调相变轨策略分析目标航天器变轨策略设计主要是选择变轨时机和变轨控制量，使目标航天器满足终点时刻的相位、高度和偏心率约束。变轨时机对轨道的影响主要是相位和偏心率。对于偏心率控制，在变轨控制量为小量的情况下，选择在远地点沿速度方向或近地点沿速度反向施加冲量可以在改变半长轴的同时圆化轨道，因此偏心率控制对变轨时机的约束体现为一个轨道周期之内变轨时刻的选择。为实现相位和

6、偏心率的综合控制，可将变轨时机安排在近地点或远地点，在调相的同时兼顾偏心率调整。以下重点分析变轨时机对相位的影响。影响相位的因素除变轨时机外还有半长轴改变量，消除同样的相位偏差存在不同的变轨时机和半长轴改变量组合，需要根据其他约束进行优选。对于变轨时机，以下从相位预报误差特性角度进行择优分析。假设目标航天器入轨约3个月后飞船入轨实施对接。目标航天器标称轨道设计为依靠大气衰减实现飞船入轨时刻的相位、高度与偏心率目标，实际轨道相对标称轨道出现偏差后，利用1～2次变轨进行修正。对同样的调相变轨量，变轨后的飞行时间越长则相位调整量越大，即变轨时机越早，

7、改变相同的相位需要的能量越少，因此第1次变轨为主要的调相变轨，后续变轨受制于能量约束只进行其他轨道参47载人航天2010年第4期T程报告数调整，兼顾相位微调，故以下的分析假设用于调相的变轨为1次。假设定轨造成的半长轴初值误差lOre，轨控造成的半长轴误差为lOre，忽略定轨造成的初始相位误差(不发散且为小量)，取o。一q=8．89x10—5m／s2，根据(4)式可得到半长轴定轨初值误差和轨控误差对应的相位误差，误差同向累加预报30天产生的相位误差约90。不同调相变轨时刻的调相过程如图2所示。时

8、司(天)图2不同调相变轨时刻的调相过程由图2可知，

9、调相变轨时刻越晚，调相变轨后预报时间就越短，调相终点时刻的剩余相位误差也越小。但由于调相变轨时刻越晚，需要调整的相位就越大，剩余时间也越短，因此调相半