一种调轨方案自动化设计方法与流程

本发明涉及卫星轨道设计技术领域，具体地，涉及一种近地圆轨道的两星联合使用相位差初始化设计方法。

背景技术：

两星或多星的联合使用是完成空间任务的一种非常有效的工作模式，可以达到单科卫星独立工作所难以达到的性能。合理设计联合使用方式可以提高时间分别率、加大覆盖范围，达到改善覆盖特性的目的。

近地圆轨道的两星联合使用对两星之间的轨道关系提出了一定的要求，即两星构型应满足星座对地最大重访时间不超过要求值。为确保实现这一要求，两星轨道需要满足：

(1)具有良好的星下点重复特性，这对两星相位差提出了要求；

(2)为避免两星相位差呈现发散趋势，两星轨道应长期处在同一高度。

实际工程中，往往是在一颗星(以下称“01星”)已在轨的情况下，发射第二颗星(以下称“02星”)。02星实际入轨后，两星高度不同是难以避免的，初始相位差一般不会正好等于标称设计值。因此，在02星入轨后，为达到相位匹配的轨道调整来对两星构型进行初始化是必要的。

对于可随时进行速度切向变轨的卫星，两星构型初始化过程较为简便，在入轨后可得两星标称相位差，待漂移至标称值时(下文称“相位匹配”)调整两星轨道至同一高度即完成调整。但对于轨道机动能力受约束的卫星，其初始化过程的设计相对较复杂。本发明以变轨能力受β角约束为例进行说明。

不同的入轨时间，轨道的β角不同，并按规律呈现变化，在一些β角区间内，卫星处于正飞状态，仅可提供正切向推力，即仅可向上调轨，在另一些区间内，卫星偏航机动180°，只可提供负切向，即仅可向下调轨，β角处于其它情况不可调轨。由此，产生调轨窗口的概念，两星可调轨的时段在轨道状态已知的情况下被分成若干区段。将调轨后两星轨道高度差变小的称为窗口A，高度差变大的称为窗口B，当预估的相位匹配时间不落于窗口A时，单次调轨不能直接完成初始化，则初始化方案必包含两次或两次以上的调轨。在这种情况下，两次调轨时机和调轨量的分配需要进行具体设计。02星发射日期的不确性定带来了相位差待漂移量的不确定性、入轨高度的不确定性带来了漂移速度甚至漂移方向的不确定性，加之调轨窗口的离散分布星使得问题呈现出多种可能，对于每一种可能，必须一一加以区分并给出不同的解决方案。

技术实现要素：

本发明提供了一种针对两星联合使用构型初始化要求的调轨方案自动化设计方法，在调轨窗口受到显著约束的情况下，为了提高设计效率，适应02星入轨后快速设计快速决策的需求，免去02星入轨前因输入条件不确定性造成的大量繁琐设计，在两星任意初始轨道状态下均可提供构型初始化的解决方案。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种调轨方案自动化设计方法，针对两星联合使用构型初始化的要求，包括如下：

1)、设置计算条件，包括，地球扁率参数、大气摄动造成的轨道高度下降速度，仿真时间；

2)、基于扁率和大气摄动递推轨道至指定时刻，输入01星轨道状态并递推至历元时刻，采用映射J4与轨道半长轴线性衰减结合的方式，在J4递推后对半长轴的衰减量和由此产生的相位漂移量进行补偿；

3)、根据两星轨道参数生成调轨窗口，β角对卫星姿态模式具有约束，继而对调轨窗口有约束，以历元时刻两星轨道参数出发，递推数十天，可得基于时间轴的β角数据，继而得到调轨窗口；

4)、根据两星轨道参数判定流程号，选择主流程；主流程分支1为顺行漂移分支，进行匹配时机预估，结合上述计算结果判定后续方案号并执行对应的调轨方案；主流程分支2为逆向漂移分支，执行逆向漂移方案，与分支1同时生成两套并行方案；

5)：对4)生成的方案进行评估，用以判定流程结束或重新开始。

所述2)中，基于扁率和大气摄动递推轨道，在非球型摄动解析递推法的基础上加入了轨道高度变化的考虑，能够有效补偿在解析法递推中因轨道高度变化带来的显著相位误差，确保递推精度要求和快速性要求，

所述补偿按下式进行：

式中，t为递推时长，a₀,e₀,i₀,Ω₀,ω₀,M₀是初始时刻轨道根数；映射J₄采用拟平根递推法；a₂是半长轴二阶量，以轨道高度衰减率代入；M₂是平近点角变化二阶量，即相位变化补偿量。

所述3)中，调轨窗口由太阳面光照角进行判定，符合一定区间时，仅可向上调轨，符合另一区间时，仅可向下调轨，其它情况不可调轨，即不属于调轨窗口，将使相位差漂移率变慢的称为窗口A，反之称为窗口B。

所述4)中，根据两星的轨道参数进行自动判定，将主流程结构分为两个层次：其一，根据两星轨道高度判定使用主流程1或是主流程2；其二，进入任一主流程中并行运行两个分支；顺行分支中进行匹配时机预估，并依判定结果执行预置方案；逆向漂移分支直接执行逆向漂移措施和预置方案；同时输出两个并行方案供后续环节评估；

其中，标称相位差的计算由下式表达：

式中，days为02星轨迹落后于01星轨迹的天数，ω_e为地球自转速度，和分别为地球非球形摄动引起的相应轨道根数的变化率。

匹配时机预估方法是：以当前两星相对相位漂移率预估其漂移至指定标称相位差为匹配的时机，其中涉及的标称相位差目标值依据两星相位匹配要求计算而得，计算所需的摄动参数和重访天数按需求灵活设置。

所述调轨方案为适应在指定窗口区段达到匹配要求的超调设计值和漂移设计值，形成基于两次轨控的调轨方案，合理分配两次轨控调整量可达到前后双向调整匹配时机，并使匹配时机落于理想调轨窗口内。

所述逆向漂移方案在主流程的分支2中使用，是两星相位朝与初始状态相反的方向漂移，与分支1并行使用并一同输出，供后续环节评估。

本发明提供的一种针对两星联合使用构型初始化要求的调轨方案自动化设计方法，解决了调轨窗口受到显著约束情况下的两星相位匹配的两次以上的机动方案设计问题，按照输入计算过程量，逐级对问题进行分类讨论，通过设计合理的轨控时机和轨控量，使各次轨控均位于调轨窗口内并满足构型要求；能够实现自动化设计，解决了输入不确定性带来的复杂设计问题，便于在入轨后飞控组前方人员和资源有限的情况下，进行当场快速设计快速决策难的问题。

附图说明

图1为本发明方法流程框图；

图2为本发明中调轨窗口示意图；

图3为本发明中相位差标称值设计示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

在本实施例中，如图1所示，本发明包括如下步骤：

环节1：设置设计条件

设置计算所需的条件包括，地球扁率参数、大气摄动造成的轨道高度下降速度，仿真时间。

环节2：输入轨道状态并递推

一般情况下，由于采集到的两星轨道历元不一致，这里以01星为例，递推其轨道至与02星相同的历元，便于后续环节的计算。

输入01星轨道状态并递推至历元时刻，采用映射J4与轨道半长轴线性衰减结合的方式，在J4递推后对半长轴的衰减量和由此产生的相位漂移量按下式进行补偿。

式中，t为递推时长，a₀,e₀,i₀,Ω₀,ω₀,M₀是初始时刻轨道根数；映射J₄采用拟平根递推法，具有精度高、速度快的优点，此处不再详述；a₂是半长轴二阶量，以轨道高度衰减率代入；M₂是平近点角变化二阶量，即相位变化补偿量。

环节3：生成窗口

定义β角为轨道面法向量与太阳矢量夹角的余角，其对卫星姿态模式具有约束，继而对调轨窗口有约束，以初始情况下02星高于01星为例，两星调轨窗口定义如下：

窗口A：01星向上或02星向下，02星轨道高于01星时减小相位漂移率；

窗口B：02星向上或01星向下，02星轨道高于01星时增大相位漂移率。

以历元时刻两星轨道参数出发，递推数十天，可得基于时间轴的β角数据，继而得到窗口A和窗口B，参见图2。

环节4：主流程

环节4.1：判定流程号

原则上按照如下分类指定主流程1和主流程2：

主流程1：开始时刻02星高于01星

主流程2：开始时刻02星低于01星

两者结构相同，具体调轨方向和窗口方向可能会有相反的情况，本实施例设计基于流程1的情况进行，流程2的情况同理设计，本章不再赘述。

针对具体情况，亦可在需要时引入人工参与决策。

环节4.2：分支1——判定方案号

本部分给出了顶层主线逻辑，具体的实现方案和方法参见后续两部分。

当某时刻已知两星轨道时考虑进行相位匹配，首先计算两星标称相位差Δu：

两星之间的相位关系与它们的星下点轨迹直接相关，选择合适的两星相位差Δu即可在给定的ΔΩ(两星轨道升交点赤经差)下达到期望的星下点轨迹。

根据单星轨道特性，相邻时间两轨的星下点轨迹将被划分为若干份，以4天回归为例，参见图3。在这4条轨迹中，卫星每天占据一条轨迹，为了尽量让两星构型的最大重访时间保持在两天以内，当01星占据标号为1的星下点轨迹时，需要让02星占据标号为3的星下点轨迹，如果02星占据标号为2或4的轨迹，最大重访时间可能大于2天，但肯定小于54小时(对应轨道面夹角90°，对于45°和135°的情况，这一值应分别为51小时和57小时)。

对于每个ΔΩ，总能找到一个标称相位差Du满足本节所述的要求。两者之间的关系与可由下式表达：

式中，days为02星轨迹落后于01星轨迹的天数，ω_e为地球自转速度，和分别为地球非球形摄动引起的相应轨道根数的变化率。最后将Du圆整至0～360°即可得到标称相位差。

根据当前两星高度差和相位差待调整量进行预估，预估方法为：

已知两星轨道的情况下，按下式预估相位匹配时机

ΔT＝ΔDu/(n₁-n₂)＝(Δu-Du)·μ^-0.5·(a₁^-1/3-a₂^-1/3)^-1

式中，ΔT为从当前起算的匹配时刻，a₁、a₂分别为当前01、02星半长轴，Δu＝u₂-u₁表示两星的当前相位差，Du表示标称相位差，n₁，n₂分别表示01星、02星的轨道角速度。

对于满足下列情况之一的，执行方案一：

1)当前处于窗口A内，并以当前漂移速率预估到能够在本次窗口A内可完成相位匹配的；

2)当前不处于窗口A内，但以当前漂移速率预估到能够在下次窗口A内可完成相位匹配的；

对于满足下列情况之一的，设法降低漂移速率，执行方案二；

1)当前不处于窗口A内，并以当前漂移速率预估到在相位匹配时刻早于下次窗口A的；

对于满足下列情况之一的，设法加快漂移速率，执行方案三；

1)当前处于窗口A内，并以当前漂移速率预估到相位匹配时刻晚于当前窗口A完成的；

2)当前不处于窗口A内，并以当前漂移速率预估到相位匹配时刻晚于最近一次窗口A完成的；

环节4.3：分支1——执行方案

待窗口A内，两星相位符合要求时，向上调整01星轨道至与02星相同的高度；

待到进入窗口A时，向上调整01星高度至超调设计值，令相位差反向漂移至窗口B内并达到匹配要求。待到窗口B内向上调整02星轨道高度至与01星相同。超调设计值的计算如下：

增加01星半长轴使其高于02星，反转漂移方向并确保在窗口B内两星相位达到匹配。新的01星半长轴由下式计算

ΔDu＝(n₁-n₂)·(T_Bt-T_A0)＝μ^0.5·(a₁^-1/3-a₂^-1/3)·(T_Bt-T_A0)

式中，a₁为待求的01星目标半长轴，a₂为02星半长轴，ΔDu为相位差的待漂移量，T_Bt为期望的匹配时刻，位于窗口B内，T_A0为起算时刻，位于窗口A内。

待到进入窗口B时，向上调整02星轨道高度至漂移设计值。随后等待相位差漂移直至匹配，执行方案一。漂移设计值的计算如下。

用于设计01星的半长轴目标值，用于确保匹配时刻位于窗口A内。

通过增加两星高度差以达到加快漂移速率的目的，由下式计算

ΔDu＝(n₁-n₂)·(T_At-T_B0)＝μ^0.5·(a₁^-1/3-a₂^-1/3)·(T_At-T_B0)

式中，a₂为待求的02星目标半长轴，a₁为01星半长轴，ΔDu为相位差的待漂移量，T_At为期望的匹配时刻，位于窗口A内，T_B0为起算时刻，位于窗口B内。

环节4.4：分支2——执行方案

本环节即逆向漂移措施，从环节4.1后开始执行。

如遇到开始时刻两星相位差待漂移量本身不大但持续增大的情况，可以考虑增加措施将趋势转变为减小。

等待至首个窗口A，向上调整01轨道至与02星相同或稍高于02星，具体超调量视情况而定，保证漂移量停止即可。

后续执行方案二。

逆向漂移机动和流程2中的首次机动应同为01星，在实施时可视情况合并成一次。

环节5：方案评估

流程内部并行计算得出两套方案，需对两套方案进行评估。

在合理漂移时间范围内，优先选取时间短的方案作为最佳方案输出。评估过程亦便于人工进行，综合评判方案所需的漂移时间、燃料、轨道高度和其它总体需求后，明确选用的方案。

若无可行方案，调整主流程的设置条件或其它工程约束，重新执行主流程，直至得出可行方案。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。