[发明专利]一种基于脉冲和气动辅助结合的低轨轨道面转移方法

摘要

本发明公开的一种基于脉冲和气动辅助结合的低轨轨道面转移方法，涉及地球低轨航天器大范围轨道面转移方法，属于航空航天领域。本发明首先建立轨道根数及大气内飞行过程的动力学方程；将航天器通过施加脉冲机动变轨到大椭圆轨道，在远地点施加离轨脉冲使航天器进入大气；选取优化目标为轨道面的改变量最大，给定约束并得到满足气动力要求的最优控制率和终端状态量，完成气动辅助轨道面转移；航天器飞出大气并沿转移轨道运行至目标轨道高度，施加定轨脉冲使航天器进入目标轨道。本发明可实现以较低的燃耗完成低轨航天器的轨道平面转移。本发明鲁棒性强、可重复性高，受航天器轨道方位影响小，气动辅助过程灵活性高，对目标轨道的适用范围广。

主权项

一种基于脉冲和气动辅助结合的低轨轨道面转移方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：确定目标轨道位置矢径ri＝rf；步骤二：在地球赤道惯性坐标系下建立航天器运动方程，确定航天器的轨道根数和轨道远地点位置；步骤三：确定航天器从初始轨道抬高至大椭圆轨道整个过程所消耗的速度脉冲增量△v0；步骤四：确定地球大气边缘高度h0以及从初始椭圆轨道远地点离轨进入大气所需脉冲△v1，并确定航天器转移到大气边缘时的速度v0与航迹角γ0；给定地球大气边缘位置矢径为r0；由于在远地点加一次脉冲机动进入大气所需脉冲量△v1最小，所以在远地点给航天器施加一次脉冲机动△v1使得航天器进入大气，根据椭圆轨道能量方程(4)得到在远地点航天器的速度v；远地点航天器的速度v为：当给出进入大气的转移轨道的近地点为rpe，则能够求得航天器从初始轨道进入大气所需的速度脉冲△v1为：所需的速度脉冲△v1即为在远地点给航天器施加一次脉冲机动△v1；根据初始轨道远地点高度ra、进入大气的转移轨道的近地点rpe和地球大气边缘位置矢径r0能够求得航天器转移到大气边缘时的速度v0与航迹角γ0：步骤五：确定气动力辅助转移过程的运动方程、控制量、终端约束和定轨速度脉冲△v2；航天器在地球大气内的运动如方程(9)所示：其中，V为航天器速度，r为航天器矢径，γ为飞行航迹角，ψ为飞行航向角，θ为航天器相对地球经度，为航天器相对地球纬度；m为航天器质量，μe为地球引力常数，α为攻角，σ为滚转角，所述的两个变量攻角α、滚转角σ均属于控制量；给出航天器出大气之后的转移轨道远地点必须和目标轨道高度hf相同，也即为目标轨道高度hf，其中目标轨道高度hf对应的矢径为rf，从而确定出大气时刻航天器终端状态需满足的约束方程(10)：此时，当航天器飞出大气之后，航天器沿转移轨道转移至目标轨道所在高度hf，之后通过施加第二次速度脉冲△v2使航天器进入目标轨道，所需施加第二 次速度脉冲△v2大小为：所需施加的第二次速度脉冲△v2即为定轨速度脉冲△v2；步骤六：给出航天器轨道平面转移整个过程的能量消耗约束，给出总速度脉冲上界为Vmax，则约束表述为：△v0+△v1+△v2≤Vmax               (12)步骤七：给出航天器部署过程的优化性能指标J，也即航天器轨道平面的改变量△i最大，由于轨道倾角i直接表征飞行器的轨道平面，所以选取轨道倾角i改变量为优化性能指标J，并根据优化性能指标J和优化方法给确定优化后的所需航天器进入目标轨道施加的定轨速度脉冲△v2，并给出航天器在大气内飞行的控制率；给出航天器部署过程优化性能指标J：根据优化性能指标J和优化方法确定优化后的航天器进入目标轨道施加的定轨速度脉冲△v2的值；步骤八：根据步骤七的优化结果实现脉冲和气动辅助结合的低轨轨道面转移过程；所述的优化结果包括性能指标J、终端状态量vf、γf以及定轨速度脉冲△v2；通过步骤七的优化结果能够得到步骤五需确定的航天器进入目标轨道施加的定轨速度脉冲△v2和航天器在大气内飞行的最优控制率，并使得航天器轨道面转移量△i达到最大；航天器通过施加速度脉冲△v0使其抬升至大椭圆轨道，之后航天器通过施加所需的航天器从大椭圆轨道进入大气速度脉冲△v1将航天器从远地点位置开始进入大气，在大气内通过优化给出的控制率进行气动力辅助轨道面转移，并通过施加所需的航天器进入目标轨道施加的定轨速度脉冲△v2将航天器定轨到目标轨道上，从而实现低轨轨道面转移过程。