[发明专利]一种静止轨道卫星小推力长期位置保持方法

说明书

本发明公开的一种静止轨道卫星小推力长期位置保持方法，通过球坐标建立卫星轨道面内和面外的平均轨道运动模型；通过相平面分析法给出静止轨道卫星在面内和面外的长周期运动规律；在此基础上，通过选取静止轨道卫星的定点位置保持窗口，获得在定点窗口内卫星无控状态的周期运动轨迹，即漂移段轨迹；设计小推力控制律，获得卫星受控状态下的运动轨迹，即推力段轨迹，使推力段轨迹与漂移段轨迹共同形成一个闭环轨迹，从而完成静止轨道卫星的小推力长期位置保持。

技术领域

本发明涉及一种静止轨道卫星小推力长期位置保持方法,尤其涉及静止轨道卫星的长期运动规律分析，轨道面内/面外的小推力位置保持等重要技术，属于航天器轨道动力学与控制领域。

背景技术

运行在地球静止轨道(Geostationary Orbit,GEO)上的航天器，具有覆盖面积大，且相对于地面静止的特点，具有极高的经济价值。地球静止轨道航天器的发展主要呈现出三“大”趋势：一是航天器携带的柔性部件越来越大(50米长太阳帆板、百米级天线、2米以上双机械臂等)；二是航天器本体将越来越大，其质量高达数十甚至上百吨；三是，经济体量越来越大，GEO上的通信卫星等航天器本身造价几十亿人民币，每年产生的经济效益更为可观。

由于静止轨道的摄动规律，单颗静止轨道卫星占有的赤道经度约为±0.1度,故理论上最多只能有1800颗静止轨道卫星同时在轨运行。但随着航天发射的增多，高轨上的失效航天器等空间碎片对大型复杂的静止轨道卫星的影响和潜在威胁已不可忽视。静止轨道卫星通过位置保持保障其正常功能，但越发复杂的空间环境和越加精细的在轨任务对静止轨道的位置保持任务提出了更高的要求。

GEO卫星的位置保持分为脉冲式位置保持和小推力位置保持两种。提供小推力的电推进系统具有高比冲的特点，相对于提供脉冲推力的化学推进系统，燃料消耗更小，对提升卫星有效载荷、延长卫星在轨时间具有重要作用。

已有的部分文献所设计的小推力位置保持方法旨在通过高效的优化算法消除由轨道摄动引起的轨道漂移，保证静止轨道卫星在定点窗口的位保精度。文献(FrederikJ.de Bruijn,Stephan Theil,Daniel Choukroun,Eberhard Gill,GeostationarySatellite Station-Keeping Using Convex Optimization,Journal of GuidanceControl and Dynamics,39(3),2016,pp.605-616)将小推力位置保持问题转化为凸优化问题，提出了一种闭环控制律，但仅能在数天的控制周期里进行高精度位置保持。文献(ShugeZhao,Pini Guifil,Jingrui Zhang,Initial Costates for Low-Thrust Minimum-TimeStation Change of Geostationary Satellites,Journal of Guidance Control andDynamics,39(12),2016,pp.2745-2754)针对静止轨道卫星调相的时间最优问题提出了一种协态初值猜测方法，但相关方法基于特定假设，仅在某几类情况中具有较好的收敛性。目前的位置保持策略侧重抵消静止轨道摄动对卫星运动的影响，未充分利用卫星摄动运动的长期特性；另一方面，缺乏一套具有较强普适性的协态初值猜测方法来提升位置保持优化算法的收敛稳定性和收敛速度。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种静止轨道卫星小推力长期位置保持方法，该方法首先通过静止轨道卫星长期轨道演化的分析方法，发现静止轨道卫星的周期性运动规律。再在此基础上，提供一种小推力位置保持控制律的设计方法，既能延长静止轨道卫星的位置保持周期，从而降低地面测控站实施卫星控制的人力成本和设备损耗，又能降低燃料消耗，从而延长卫星在轨寿命，普遍适用于地球静止轨道电推进卫星。该方法不仅能有效利用卫星长期无控运动的周期特性来规划受控运动，而且能够提供具有普适性的协态初值猜测方法来保证位置保持优化算法的收敛性能，从而实现长期位置保持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现。