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长周期高精度回归轨道与脉冲轨道控制策略设计

何艳超 徐明

何艳超, 徐明. 长周期高精度回归轨道与脉冲轨道控制策略设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(11): 2256-2267. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0178
引用本文: 何艳超, 徐明. 长周期高精度回归轨道与脉冲轨道控制策略设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(11): 2256-2267. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0178
HE Yanchao, XU Ming. Design of long-duration high-precision repeat ground-track orbit and its impulsive orbital control strategy[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(11): 2256-2267. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0178(in Chinese)
Citation: HE Yanchao, XU Ming. Design of long-duration high-precision repeat ground-track orbit and its impulsive orbital control strategy[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(11): 2256-2267. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0178(in Chinese)

长周期高精度回归轨道与脉冲轨道控制策略设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0178
基金项目: 

中国航天科技集团有限公司钱学森青年创新基金 

详细信息
    通讯作者:

    何艳超, E-mail: heyanchao@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V412.4+1

Design of long-duration high-precision repeat ground-track orbit and its impulsive orbital control strategy

Funds: 

Qian Xuesen Youth Innovation Foundation of China Aerospace Science and Technology Corporation 

More Information
  • 摘要:

    针对长周期回归轨道设计和维持问题,研究了一种基于高阶Poincaré映射的高精度引力场中回归轨道优化设计和控制的通用性半解析方法,其中摄动包含大气阻力、太阳辐射压力和日月三体引力等因素。通过对Poincaré映射进行高阶展开并表示为多项式形式,可精确近似对一个或者多个回归周期内的轨道递推,从而在赤道升交点处施加脉冲推力,实现高精度的回归轨道设计和控制。提出了分别解决严格和宽松2种回归约束下问题的方法,并应用于实际在轨TerraSAR-X、Landsat-8、IRS-P6、SPOT-7和UoSAT-12任务的回归模式。所提方法具有计算效率和精度高的优点,可用于星上自主轨道递推和轨道控制。

     

  • 图 1  地心惯性坐标系和地心固连坐标系

    Figure 1.  Earth-centered inertial and Earth-centered, Earth-fixed coordinate frames

    图 2  x0邻域内初始点(x0x0)在tf处的近似解

    Figure 2.  Approximation of initial value (x0x0) in the neighborhood of x0 at tf

    图 3  升交点处经度实际值与标称值的对比

    Figure 3.  Comparison of actual and nominal longitude values at ascending nodes

    图 4  一个回归周期内每圈轨道升交点处经度实际值与其标称值对比的漂移量

    Figure 4.  Drift value of actual longitude compared with nominal one at ascending nodes of each cycle of orbit during one repeat cycle

    图 5  施加脉冲机动前后半长轴的演化

    Figure 5.  Evolution of semi-major axis before and after impulsive maneuvers

    图 6  施加脉冲机动前后轨道倾角的演化

    Figure 6.  Evolution of inclination before and after impulsive maneuvers

    图 7  施加脉冲机动前后升交点赤经漂移率的演化

    Figure 7.  Evolution of drift rate of right ascension of ascending node before and after impulsive maneuvers

    图 8  基于微分代数方法和轨道递推方法的经度对比结果

    Figure 8.  Comparison of longitude values obtained by DA-based orbital propagation and numerical integration-based orbital propagation

    图 9  三个回归周期内经度的实际值与标称值对比

    Figure 9.  Comparison of actual and nominal longitude values during three repeat cycles

    图 10  轨道控制后轨迹经度与其初始值的偏差

    Figure 10.  Deviation of actual orbital longitude from initial longitude after orbital control

    图 11  六个回归周期内半长轴和轨道倾角的演化

    Figure 11.  Evolution of semi-major axis and inclination within six repeat cycles

    表  1  TerraSAR-X回归模式算例轨道控制结果

    Table  1.   Orbital control results of TerraSAR-X repeat pattern

    状态量 第1个回归周期 第2个回归周期
    初始 终止 初始 终止
    x/km 6 784.509 118 6 784.508 908 6 784.508 908 6 784.508 491
    y/km -1 198.825 274 -1 198.825 404 -1 198.825 404 -1 198.825 332
    z/km 0 0 0 0
    vx/(km·s-1) -0.268 267 730 -0.268 211 934 -0.268 272 691 -0.268 244 003
    vy/(km·s-1) -1.463 279 438 -1.463 277 386 -1.463 278 583 -1.463 459 538
    vz/(km·s-1) 7.544 055 446 7.544 025 069 7.544 055 978 7.544 001 930
    T/s 950 399.38 950 399.64
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    表  2  Landsat-8回归模式算例轨道控制结果

    Table  2.   Orbital control results of Landsat-8 repeat pattern

    状态量 第1个回归周期 第2个回归周期
    初始 终止 初始 终止
    x/km 6 975.552 101 6 975.551 558 6 975.551 558 6 975.551 381
    y/km -1 232.582 639 -1 232.582 799 -1 232.582 799 -1 232.582 778
    z/km 0 0 0 0
    vx/(km·s-1) -0.285 046 636 -0.285 007 355 -0.285 073 308 -0.285 030 544
    vy/(km·s-1) -1.561 515 791 -1.561 706 363 -1.561 705 676 -1.561 855 639
    vz/(km·s-1) 7.426 314 342 7.426 284 548 7.426 288 429 7.426 264 784
    T/s 1 382 399 1 382 399.6
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    表  3  IRS-P6回归模式算例轨道控制结果

    Table  3.   Orbital control results of IRS-P6 repeat pattern

    状态量 第1个回归周期 第2个回归周期
    初始 终止 初始 终止
    x/km 7 091.011 029 7 091.010 546 7 091.010 546 7 091.010 247
    y/km -1 252.984 275 -1 252.984 999 -1 252.984 999 -1 252.984 943
    z/km 0 0 0 0
    vx/(km·s-1) -0.295 622 153 -0.295 550 878 -0.295 647 647 -0.295 609 033
    vy/(km·s-1) -1.623 266 169 -1.623 412 825 -1.623 403 153 -1.623 752 336
    vz/(km·s-1) 7.356 222 412 7.356 200 355 7.356 202 783 7.356 149 740
    T/s 2 073 599.4 2 073 600.5
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    表  4  SPOT-7回归模式算例轨道控制结果

    Table  4.   Orbital control results of SPOT-7 repeat pattern

    状态量 第1个回归周期 第2个回归周期
    初始 终止 初始 终止
    x/km 7 096.348 844 7 096.348 569 7 096.348 569 7 096.348 374
    y/km -1 253.927 469 -1 253.928 444 -1 253.928 444 -1 253.928 404
    z/km 0 0 0 0
    vx/(km·s-1) -0.296 089 274 -0.296 009 0 -0.296 111 439 -0.296 062 414
    vy/(km·s-1) -1.625 981 449 -1.626 113 0 -1.626 098 844 -1.626 408 561
    vz/(km·s-1) 7.353 025 818 7.353 006 575 7.353 009 099 7.352 962 120
    T/s 2 246 398.4 2 246 399.8
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    表  5  宽松精度情形下轨道控制结果

    Table  5.   Orbital control results for loose-accuracy scenario

    状态量 前3个回归周期 后3个回归周期
    初始 终止 初始 终止
    x/km -1 684.591 611 -1 684.515 457 -1 684.515 457 -1 682.767 179
    y/km -6 825.069 865 -6 825.112 359 -6 825.112 359 -6 825.595 939
    z/km 0 0 0 0
    vx/(km·s-1) 2.638 596 174 2.638 601 972 2.638 618 204 2.638 975 345
    vy/(km·s-1) -0.666 368 889 -0.666 251 883 -0.666 255 966 -0.665 570 472
    vz/(km·s-1) 6.802 699 118 6.802 626 184 6.802 660 947 6.802 471 580
    t/s 1 794 301.5 1 794 297.6
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-07
  • 录用日期:  2021-04-23
  • 网络出版日期:  2021-11-20

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