基于多约束限制的全电推椭圆轨道转移工程化应用方法

本发明涉及轨道控制设计领域，是基于多约束限制的全电推椭圆轨道工程化变轨方法。

背景技术：

1、随着电推进技术的不断发展，卫星入轨方式从传统的运载发射直接入轨转变到运载将卫星发射到初始轨道，卫星利用自身搭载的推进系统将卫星从初始轨道转移到目标轨道。目前轨道转移控制方法主要局限于圆轨道到圆轨道的轨道转移。

技术实现思路

1、本发明主要针对椭圆轨道转移需求，提出了一种基于多约束限制的全电推椭圆轨道工程化变轨方法。结合卫星轨道摄动方程、整星能源平衡约束、轨道转移时长等约束限制，结合电推进推力参数确定轨道转移控制策略，得到轨道转移控制模型；最终完成多约束限制的椭圆轨道转移控制及工程化应用方法。

2、本发明的技术方案是：基于多约束限制的全电推椭圆轨道转移工程化应用方法，根据初始轨道近地点高度rinip、远地点高度rinia与目标轨道近地点高度rtarp、远地点高度的差异rtara，采取相应的变轨策略如下：

3、当近地点比较rinip≥rtarp且远地点比较rinia≥rtara时，采用变轨策略1，所述变轨策略1具体如下：

4、(11)计算δrp＝rinip-rtarp，δra＝rinia-rtara，比较δrp与δra的差值；

5、(12)若|δrp|＜|δra|，在近地点附近沿卫星速度反方向实施变轨；若|δrp|＞|δra|，在远地点附近沿卫星速度反方向实施变轨；

6、(13)每次变轨完成后判断当前轨道近地点高度rp、远地点高度ra与目标轨道近地点高度rtarp、远地点高度rtara的差异；当rp≤rtarp或ra≤rtara时，更改为沿s/t反方向实施变轨；

7、当近地点比较rinip≤rtarp且远地点比较rinia≤rtara时，采用变轨策略2，所述变轨策略2具体如下：

8、(21)计算δrp＝rinip-rtarp，δra＝rinia-rtara，比较δrp与δra的差值；

9、(22)若|δrp|＜|δra|，在近地点附近沿卫星速度方向实施变轨；若|δrp|＞|δra|，在远地点附近沿卫星速度方向实施变轨；

10、(23)每次变轨完成后判断当前轨道近地点高度rp、远地点高度ra与目标轨道近地点高度rtarp、远地点高度rtara的差异；当rp≥rtarp或ra≥rtara时，更改为沿s/t方向实施变轨；

11、当近地点比较rinip≥rtarp且远地点比较rinia≤rtara时，采用变轨策略3，所述变轨策略3具体如下：

12、(31)在近地点附近沿s/t方向实施变轨；

13、(32)在远地点附近沿s/t反方向实施变轨；

14、当近地点比较rinip≤rtarp且远地点比较rinia≥rtara时，采用变轨策略4，所述变轨策略4具体如下：

15、(41)在近地点附近沿s/t反方向实施变轨；

16、(42)在远地点附近沿s/t方向实施变轨；

17、其中，s为卫星推力施加的径向加速度；t为卫星推力施加的横向加速度；s/t为卫星推力施加的径向加速度除以横向加速度。

18、进一步的，每次变轨前，根据当前轨道周期tper、地影区时长tshadow、光照区卫星正常运行能源充电系数k1、地影区卫星正常运行能源放电系数k2、光照区卫星变轨能源放电系数k3、地影区卫星变轨能源放电系数k4及能源平衡放电深度η确定变轨工作时长；

19、卫星变轨弧段在光照区或地影区执行所需的变轨时长，计算如下：

20、①若卫星变轨弧段处于光照区，变轨时长需满足能源平衡及放电深度要求，如下式所示：

21、

22、变轨时长选取二者最小值：torbcon＝min{torbcon1 torbcon2}；

23、②若卫星变轨弧段处于地影区，变轨时长需满足能源平衡及放电深度要求，如下式所示：

24、

25、变轨时长选取二者最小值：torbcon＝min{torbcon1 torbcon2}。

26、进一步的，s/t实施变轨公式如下：

27、近地点高度保持不变：

28、远地点高度保持不变：

29、其中，e为卫星轨道的偏心率，f为卫星轨道的真近点角。

30、本发明的有益效果是：本发明基于霍尔电推长时间变轨时动力学无闭合解析解的特点，在评估初始轨道高度及目标轨道高度差异(主要为远地点、近地点高度)的基础上，结合整星能源平衡及电池放电深度及卫星轨道周期，光照及地影时长，分析每次变轨的电推工作时长；最终结合卫星轨道动力学，基于电推进在近地点附近施加连续推力或在远地点附近施加连续推力实现轨道转移。

31、本发明的基于多约束限制的全电推椭圆轨道转移工程化应用方法在整星能源平衡约束的基础上，充分利用了电推长时间变轨无动力学解析解的特性，实现了初始轨道到目标轨道的转移，避免了后续弥补不必要的轨道高度变化带来的二次变轨操作，减少了燃料的浪费，提高了轨控效率。

技术特征：

1.基于多约束限制的全电推椭圆轨道转移工程化应用方法，其特征在于，根据初始轨道近地点高度rinip、远地点高度rinia与目标轨道近地点高度rtarp、远地点高度的差异rtara，采取相应的变轨策略如下：

2.根据权利要求1所述的基于多约束限制的全电推椭圆轨道转移工程化应用方法，其特征在于：每次变轨前，根据当前轨道周期tper、地影区时长tshadow、光照区卫星正常运行能源充电系数k1、地影区卫星正常运行能源放电系数k2、光照区卫星变轨能源放电系数k3、地影区卫星变轨能源放电系数k4及能源平衡放电深度η确定变轨工作时长；

3.根据权利要求1所述的基于多约束限制的全电推椭圆轨道转移工程化应用方法，其特征在于：s/t实施变轨公式如下：

技术总结本发明公开了一种基于多约束限制的全电推椭圆轨道工程化变轨方法。结合卫星轨道摄动方程、整星能源平衡约束、轨道转移时长等约束限制，结合电推进推力参数确定轨道转移控制策略，得到轨道转移控制模型；最终完成多约束限制的椭圆轨道转移控制及工程化应用方法。基于霍尔电推长时间变轨时动力学无闭合解析解的特点，在评估初始轨道高度及目标轨道高度差异(主要为远地点、近地点高度)的基础上，结合整星能源平衡及电池放电深度及卫星轨道周期，光照及地影时长，分析每次变轨的电推工作时长；最终结合卫星轨道动力学，基于电推进在近地点附近施加连续推力或在远地点附近施加连续推力实现轨道转移。技术研发人员：姚小松,徐晨,刘琦,刘国华,马智杰,李晓红,孙国文,逯麒受保护的技术使用者：中国科学院微小卫星创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/5/27