基于大椭圆轨道的对地球同步轨道卫星抵近技术研究

论文摘要

随着航天器种类的增加,人们对航天器在轨服务的需求越来越强烈,空间在轨服务技术已经成为航天技术领域的研究热点。对于地球同步轨道卫星的检查,论文提出了一种利用大椭圆轨道机动飞行器对其抵近照相的方法,并研究了相关技术。主要研究内容如下:建立了轨道机动飞行器执行近距离照相任务的轨道模型,分析了轨道模型的特点。初步研究了对地球同步轨道卫星依次扫描的策略和变轨方案。本文提出了用单脉冲转移和双脉冲对称转移两种方法来改变轨道拱线的方向,并对两者的优劣进行了比较。研究了轨道模型在摄动因素影响下的轨道特性。主要是从轨道面进动、轨道倾角变化和远地点转动三个方面进行分析。在考虑地球扁率摄动和日、月引力摄动的情况下,研究了轨道相对地球、太阳和月球的位置对轨道特性的影响规律,并进行了仿真分析。研究了轨道机动飞行器对地球同步轨道卫星抵近照相过程中存在的主要约束,包括光照约束、日月时空约束和测控约束。分析了航天器进出地影的情况,仿真计算了在一个轨道周期内,航天器处于地影区的时间。分析了日月对照相过程的影响,计算了发生干扰的时间,并提出了规避方法。介绍了我国常用的测控手段,研究了轨道机动飞行器对地面的覆盖情况,分析了地面测站对航天器“可见”的条件,仿真计算了我国地面站对本文研究的轨道机动飞行器的观测弧段,据此提出了针对轨道机动飞行器进行测控的布站要求。研究了轨道机动飞行器对地球同步轨道卫星的抵近飞行过程。分析了不同过捷点距离下的视线角速度和视线角加速度的变化规律。在Hill方程的基础上建立了二者接近过程的相对运动模型和观测方程,介绍了应用扩展卡尔曼滤波对轨道机动飞行器与地球同步轨道卫星的相对运动状态进行估计的方法,并进行了仿真分析。最后,对全文进行了总结,指出了论文的研究成果,并对下一步需要研究的内容进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外相关技术发展现状
• 1.2.1 国外在轨服务技术的发展
• 1.2.2 本文研究内容相关技术进展
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 OMV轨道模型
• 2.1 锁定轨道
• 2.2 扫描问题及变轨
• 2.2.1 扫描问题描述
• 2.2.2 扫描变轨策略及仿真
• 2.3 拱线的调整
• 2.3.1 单脉冲转移
• 2.3.2 对称转移
• 2.4 摄动对锁定轨道设计的影响
• 2.4.1 地球扁率摄动
• 2.4.2 第三体摄动
• 2.5 本章小结
• 第三章 锁定轨道特性分析
• 3.1 轨道面进动特性分析
• 3.1.1 轨道面进动的涵义
• 3.1.2 升交点赤经与轨道相对地球位置的关系
• 3.1.3 升交点赤经与太阳位置的关系
• 3.1.4 升交点赤经与月球位置的关系
• 3.2 轨道倾角变化特性分析
• 3.2.1 轨道倾角与轨道相对地球位置的关系
• 3.2.2 轨道倾角与第三体的关系
• 3.3 近地点幅角变化特性分析
• 3.3.1 近地点幅角与轨道相对地球位置的关系
• 3.3.2 近地点幅角与第三体的关系
• 3.4 远地点的漂移分析
• 3.5 地球扁率和日、月引力摄动影响分析与仿真
• 3.5.1 长半轴的变化仿真
• 3.5.2 偏心率的变化仿真
• 3.5.3 轨道倾角的变化仿真
• 3.5.4 近地点幅角的变化仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 OMV对GEO卫星抵近照相约束分析
• 4.1 OMV的最小观测角
• 4.2 光照约束
• 4.2.1 地影的概念
• 4.2.2 航天器进出地影位置的计算
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 时空约束
• 4.3.1 太阳约束分析
• 4.3.2 月球约束分析
• 4.3.3 仿真分析
• 4.4 测控约束
• 4.4.1 航天器的覆盖带
• 4.4.2 测站可观测弧段
• 4.5 本章小结
• 第五章 OMV对GEO卫星抵近过程相对运动分析
• 5.1 抵近过程特性分析
• 5.1.1 相对速度
• 5.1.2 视线角速度和视线角加速度
• 5.1.3 仿真分析
• 5.2 相对运动状态估计
• 5.2.1 相对运动状态方程
• 5.2.2 观测方程及其偏导数矩阵
• 5.2.3 扩展KALMAN滤波
• 5.2.4 仿真分析
• 5.3 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果