空间交会目标航天器相位调整策略.pdf

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1、2011年2月中国空间科学技术33第1期ChineseSpaceScienceandTechnology空间交会目标航天器相位调整策略张进1黄海兵1王为2汤溢2(1国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073)(2中国空间技术研究院．北京100094)摘要目标航天器相位调整机动的目的是为交会对接任务做准备，是一个非固定时间交会问题。从调相的基本原理出发。分析了大气阻力、升交点赤经漂移及轨道误差对相位角的影响，并将这些参数用于改进冲量对相位角影响的估算公式。将估算公式与数值积分相结合，从摄动轨道

2、机动参数计算、调相方向选取与机动圈次选择三个方面改进相位调整策略。仿真结果表明：提出的相位调整策略可以稳定高效地获得摄动轨道机动参数，能够满足终端精度要求，相对于直接根据相位角偏差正负来选择调相方向的策略可以节省推进荆消耗。关键词空间交会相位调整轨道机动航天器DoI：10．3780／j．issn．1000-758X．2011．01．0051引言交会对接任务中一般要求目标航天器在近圆回归轨道上运行[1]，当追踪航天器人轨点进入目标航天器轨道面时。要求两个航天器的纬度幅角差(即初始相位角)在一定范围内

3、。由于一般不调整目标轨道倾角，近圆回归轨道要求即为对轨道高度与偏心率的要求。目标航天器相位调整，简称目标调相，指目标航天器进行若干次轨道机动以满足追踪入轨点进入目标轨道平面时的目标轨道高度、偏心率及纬度幅角要求。目标调相对增加追踪发射窗口、标准化追踪交会机动过程、合理配置交会过程中有限的测控资源等具有重要意义。目标调相问题属于多圈多冲量交会问题，但目标轨道机动的变化会影响追踪人轨点进入目标轨道平面的时间，因而不是固定时间交会问题。林西强分析了不同的大气环境下目标航天器不同轨道维持策略的推进剂消耗[

4、2]，沈红新等将轨道维持与目标调相综合考虑，以机动时间与冲量大小为变量采用序列二次规划方法获得推进剂最优解【3]。已有研究没有从轨道机动对相位角的影响关系出发，忽略了目标调相问题本身的轨道特性。本文介绍了调相的基本原理，分析了影响目标调相的主要因素，建立了四冲量目标调相轨道机动方案，并提出了解析估算与摄动轨道数值积分相结合的快速求解方法。2调相的基本原理调相基本原理来自Kepler第三定律——航天器轨道周期丁的平方与其半长轴a3成正比，生：』L丁247c2式中．“为地心引力常数。半长轴较小的轨道，

5、其周期较短，角速度较大。在出时间内不同轨道高度引起的相位角差异为A0=(打L一，lH)At式中行。2√轰、，zH一√嚣分别为轨道高度较低、较高时航天器的平均角速度。收稿日期t2010·05一II．收修改稿Fj期t2010·06—21兰!生里窒!里型鲎堇查垫!!笙!旦根据高斯摄动方程㈨，切向机动艿t，t对近圆轨道半长轴的影响为妇≈音6弘，对平均角速度影响为翻一一挈8口≈一—3艿—'Ut，经过At时间的累积，引起的相位角差异为二n口艿口一艿n×△￡≈一3艿v,A￡(1)因此轨道机动N圈后引起的相位角变

6、化约为舳≈一38V,NT一一6,tN6可。(2)式中‘仇一√吾。3影响调相的因素地球非球形与大气阻力是近地轨道最大的摄动因素，对相位角有较大影响。轨道机动除了通过改变轨道高度来直接影响相位角，还会通过影响大气阻力与升交点赤经漂移来间接影响相位角；同时，相位调整精度还会受到轨道机动误差与大气密度误差的干扰。3．1大气阻力对相位角的影响轨道高度差异是决定相位角变化规律的主要因素，而大气阻力将造成轨道高度的衰减，进而影响相位角。大气阻力引起的航天器加速度为Ⅲ口dlIl一一虿1弛m2式中p为大气密度；Ca

7、为阻力系数；A为阻力面积；m为航天器质量。一个轨道周期内，大气阻力对轨道能量的影响为△(一差)=口。唧X2，c口一一虿1P￡m丛口2X2耳口相应的半长轴变化约为C‘】Aa：一pC—o—A×2耳n2：一2耳堡釜垒阳2轨道角速度变化约为一一导后血砘簪店假设轨道角速度随时间的变化为近似线性关系，则大气阻力对相位角的影响约为凹=(卯+靠+丁Ayl△f)×虿At一(力△￡)≈i3_』CaA。笋(出)2经过N圈的传播。轨道机动通过大气阻力对相位角的间接影响约为8(凹)≈一12霄2％冬N2√譬6研3．2升交点漂

8、移对相位角的影响航天器升交点赤经n与升交点地理经度入之间约相差格林尼治平恒星时角口G一[‘。：n=jI+口G埘。升交点赤经在惯性空间描述，其漂移来自轨道摄动。升交点地理经度用地固坐标系描述，会随着地球的旋转变化。因此目标航天器升交点赤经的漂移，将影响追踪航天器入轨点进入垄型』巳墨卫一一生垦窒囹型堂蕉查§§目标轨道平面的时刻，进而影响共面时刻两个航天器的纬度幅角差。考虑地球非球形摄动Jz项的长期影响，近圆轨道升交点赤经的漂移率约为玉：一掣坛(cos加一号式中口。为地球平均半径；i为轨