连续小推力卫星的几种典型非开普勒轨道设计

论文摘要

冻结轨道、太阳同步轨道和地球静止轨道因在遥感、通信和导航等应用领域的突出优点而成为人造地球卫星使用最广泛的三种轨道，然而苛刻的轨道根数要求极大地限制了这三类轨道选择的多样性。施加连续小推力能够适当放宽轨道参数的选择条件，从而形成人工冻结轨道、偏置太阳同步轨道和偏置地球静止轨道。人工冻结轨道是通过施加径向和横向的连续小推力使轨道的近地点幅角保持不变的轨道。径向常值推力、径向常幅值推力方向半周期切换、横向常幅值推力方向半周期切换和径向横向常幅值推力方向半周期切换这4种控制方法都能够形成人工冻结轨道。设计控制律的时候，需要特别考虑偏心率的影响，大偏心率的轨道只需考虑J2项摄动，而小偏心率则需要考虑J2~J4甚至更高阶的非球形摄动影响。偏置太阳同步轨道是通过施加法向和横向（或径向）连续小推力将太阳同步轨道抬高或降低后形成的轨道，而新的轨道能够保持倾角和地面轨迹与原太阳同步轨道一致。法向连续推力的切换时刻与近地点幅角有关，为了简化控制规律人为令近地点幅角保持不变，可以通过人工冻结轨道中提出的4种方法来保持近地点幅角的恒定。最后设计的轨道应该称为偏置太阳同步冻结回归轨道。地球非球形摄动、太阳光压摄动导致卫星产生东西漂移，在合适的时刻施加切向脉冲能够实现卫星的东西保持。偏置地球静止轨道可以通过施加径向连续小推力和切向脉冲相结合的控制方法来实现。正偏置对应反向连续小推力，负偏置对应正向连续小推力，推力幅值的大小与偏置的高度近似成正比。位置偏置后的卫星运行在近圆轨道上，施加的径向连续推力相当于把地球的引力常数μ变为μn，偏置的高度Δr远小于轨道半径rc，可以直接利用未偏置轨道的东西漂移脉冲控制方法来控制偏置轨道上卫星的东西漂移。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 冻结轨道
• 1.1.2 太阳同步轨道
• 1.1.3 地球静止轨道
• 1.1.4 小推力技术
• 1.2 论文主要工作介绍
• 第2章 坐标系和摄动模型
• 2.1 本章引言
• 2.2 常用坐标系及坐标转换
• 2.2.1 J2000 平赤道惯性坐标系
• 2.2.2 卫星轨道坐标系
• 2.2.3 球坐标系
• 2.2.4 坐标系之间的转换关系
• 2.3 轨道动力学方程
• 2.3.1 J2000 平赤道惯性坐标系轨道动力学方程
• 2.3.2 球坐标系下的轨道动力学方程
• 2.3.3 高斯方程
• 2.4 轨道摄动理论
• 2.4.1 平均根数法
• J4项的摄动位函数和摄动力'>2.4.2 J2^J4项的摄动位函数和摄动力
• 2.4.3 常值推力作用下平均轨道根数的演化规律
• 第3章 连续小推力作用下人工冻结轨道的设计
• 3.1 本章引言
• 3.2 人工冻结轨道的设计方法
• 3.2.1 方法 1：径向常幅值加速度控制，方向不切换
• 3.2.2 方法 2：径向常幅值加速度控制、方向半周期切换
• 3.2.3 方法 3：横向常幅值加速度控制、方向半周期切换
• 3.2.4 方法 4：双向常幅值推力、方向半周期切换
• 3.2.54 种控制方法的改进和完善
• 3.3 仿真算例
• 3.3.1 大偏心率轨道
• 3.3.2 小偏心率轨道
• 3.4 轨道根数与控制力加速度的关系探讨
• 3.5 轨道保持的质量消耗
• 3.6 本章小结
• 第4章 连续小推力作用下偏置太阳同步轨道的设计
• 4.1 本章引言
• 4.2 太阳同步轨道
• 4.3 偏置太阳同步轨道的设计方法
• 4.4 仿真算例
• 4.5 本章小结
• 第5章 连续小推力作用下偏置地球静止轨道的设计
• 5.1 本章引言
• 5.2 地球静止轨道及其东西漂移控制
• 5.2.1 地球形状摄动及其控制策略
• 5.2.2 太阳光压摄动及其控制策略
• 5.2.3 日月引力摄动
• 5.3 径向偏置地球静止轨道
• 5.4 偏置地球静止轨道的东西漂移控制
• 5.5 仿真算例
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果