基于混合推进的地球同步悬浮轨道设计-论文.pdf

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1、2014年2月中国空间科学技术第1期ChineseSpaceScienceandTechnology————基于混合推进的地球同步悬浮轨道设计覃翌华付磊安效民徐敏(西北工业大学航天学院，西安710072)摘要为了满足特定任务对悬浮轨道航天器长期运行的需求，文章研究了基于太阳能电推进(SEP)和太阳帆混合动力的地球同步悬浮轨道的推进技术。首先推导了混合推进下太阳帆姿态角与SEP系统加速度之间的关系式；然后对其一阶最优性条件求解单变量极值问题，得到太阳帆姿态角的控制律以及SEP系统的加速度的极小值；最后进行了算例仿真仿真结果显

2、示，相对于仅采用太阳能电推进的航天器，采用混合推进策略运行一年，可以节省约57的燃料。所设计的混合推进策略达到了节省燃料、提高航天器在轨寿命的目的，可以很好地实现现阶段地球同步悬浮轨道的要求。关键词悬浮轨道；混合推进策略；轨道优化；太阳能电推进；太阳帆DOI：1O．3780／j．issn．1000—758X．2014．O1．0081引言利用连续推力，航天器可以实现与常规轨道不同的轨道形式，一般将这些特殊的轨道称为非开普勒轨道，以与常用开普勒轨道相区别。为了实现一些特殊的任务，比如实现对特定目标的监视跟踪等，人们提出了悬浮轨

3、道的概念。悬浮轨道是强非开普勒轨道，为了长期悬浮监视跟踪目标，采用常规的电推进进行悬浮监视的代价势必很大，为此需要研究一种可以满足悬浮轨道长期在轨需求的推进策略。国内外学者对悬浮轨道进行了大量的探索。文献1-33分别针对二体和三体情况，分析了强非开普勒的轨道动力学、稳定性以及控制等问题，比较了太阳能电推进、太阳帆以及混合推进作为强非开普勒轨道动力装置的优劣性。文献[4—6]描述了一种与日地系统中的人工拉格朗日点相关的新型轨道。文献E7]阐述了悬浮非开普勒轨道的动力学、稳定性与控制问题，将脉冲控制与连续推力控制作比较。文献E

4、83研究了基于太阳帆推进的悬浮周期轨道的动力学与控制问题，分析了基于Hill方程的近似圆形限制性三体问题。文献E9，10-]还设计了基于小推力的月球悬浮轨道，通过一种反馈线性控制策略消除了动力学方程的非线性；还研究了地月系统中的月球悬浮轨道问题，提出了一种针对太阳帆航天器与月球二体问题的渐进分析方法。文献[11]考虑轨道与姿态耦合的情况，设计了非开普勒日心悬浮轨道，同时还研究了太阳帆柔性对航天器轨道与姿态的影响。以上的研究主要集中在动力学稳定与控制方面，并没有对具体的地球悬浮强开普勒轨道进行设计，同时对于长期维持的强开普勒

5、轨道的航天器的寿命问题并没有进行有效考虑。现阶段，单纯使用太阳能电推进技术来维持地球同步悬浮轨道，航天器的使用寿命很难满足要求；然而，单纯使用太阳帆作为动力，提供的加速度较小，无法满足悬浮轨道的要求。本文针对特定任务，研究利于长期在轨监视的地球同步悬浮轨道，采用太阳能电推进与太阳帆混合动力的推进策略，设计了一种基于混合动力的地球同步悬浮轨道。收稿日期：2013—08一O1。收修改稿日期：2013-ii一0458中国空间科学技术2014年2月2地球同步悬浮轨道地球同步悬浮轨道是非开普勒轨道，它是指轨道在赤道平面上方或者下方与

6、赤道平面平行(即悬浮)，轨道上点距地球中心的距离为地球同步轨道半径r，并且轨道周期为1恒星日的轨道。图1给出了一个赤道面上方的地球同步悬浮轨道。地球根据动力学原理，在地球同步悬浮轨道上的航天器的推力加速度为口一一(1)r图l地球同步悬浮轨道的定义Fig．1Definitionofdisplacedgeostationaryorbit式中为地球同步轨道角速度；为地球引力常数；，：r一h为悬浮轨道半径矢量；矢量r。由地球中心指向卫星。式(1)表明地球同步悬浮轨道仅与悬浮距离矢量有关。由于悬浮距离矢量h—E00]，若想要轨道悬浮

7、在赤道面上方(h>0)，航天器的加速度应指向Z轴正向。反之，h<0时，航天器的加速度指向Z轴负向。3混合小推力推进的地球同步悬浮轨道推进策略航天器在悬浮轨道上的加速度a可以由太阳能电推进提供的加速度a和太阳帆提供的加速度口。构成a—asEP+a。太阳帆提供的加速度为_】]口。一pcOS。y．，l，式中为太阳引力常数；7为太阳帆的单位法向量n与太阳光矢量r的夹角，r的大小为1AU。本文考虑一个可完全反射太阳光的理想太阳帆，其所受光压力沿帆面法向。卢一为光压因子，7／-t角标“0”表示t一0时刻的参数值。太阳能电推进提供的加速

8、度nI13为：：]：一Pom／rA：s(cossinasin+sin~cosa)。sinasin3n一n一口。==：一／Is(cossina(2)。sin+sin~COSO／s)sinacosmr一(cossinassin+sin~cosa)c。sareo式中为，方向与赤道平面(即zOy平面)的夹角；n