一种地球静止轨道卫星电推力器及其布局优化方法与流程

技术特征：

1.一种地球静止轨道卫星电推力器，其特征在于：包括电推力器和矢量调节机构，所述矢量调节机构为具有四个及以上自由度的矢量调节机构；所述矢量调节机构数量为两个及以上，形成矢量调节机构组；所述电推力器数量与矢量调节机构数量相同，电推力器安装在矢量调节机构末端；所述矢量调节机构安装在卫星背地板上，安装位置需保证矢量调节机构组驱动相应电推力器产生用于位置保持所需的速度增量；通过驱动矢量调节机构运动调整推力器的位置和姿态，正常工作时，推力器指向卫星质心。

2.如权利要求1所述的一种地球静止轨道卫星电推力器，其特征在于：矢量调节机构数量为两个；所述矢量调节机构为具有四个自由度的矢量调节机构。

3.一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1，建立卫星静止轨道摄动运动模型，作为卫星位置保持的输入；

步骤2，建立用于步骤3的位置保持策略的电推力器布局，在建立的电推力器布局基础上，并计算各推力器推力矢量沿三轴的投影系数；

步骤3，定制地球静止轨道卫星位置保持策略，保证卫星经纬度受控；

步骤4，建立推力器布局优化模型，通过优化求解得到每个小控周期的最优推力器布局方案；

步骤5，根据步骤4对每个小控周期进行推力器布局优化，完成每个小控周期的推力器布局优化后即得到整个位置保持周期推力器布局的最优方案。

4.如权利要求3所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：还包括步骤6，根据步骤5得到整个位置保持周期推力器布局的最优方案，进行推力器布设安装，提高推力器产生推力的南北分量系数，进而提高位置保持效率，减少卫星位置保持所需的燃料消耗。

5.如权利要求3或4所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤1实现方法为，

轨道坐标系RTN定义为：R轴位于轨道平面沿卫星位置矢量向外，N轴垂直于轨道平面并指向卫星瞬时角动量方向，T轴与R轴、N轴构成右手坐标系；

对于地球静止轨道卫星，其脉冲推力控制方程为

其中，ΔVR、ΔVT和ΔVN分别为轨道径向、切向和法向速度增量；Vs为静止轨道速度；as为标准静止轨道半径；ΔD为经度漂移率改变量；Δλ为经度改变量；Δex和Δey为轨道偏心率改变量；Δix和Δiy为轨道倾角改变量；l为平赤经；

由式(1)知，在获得推力器三个方向速度增量后，即能够计算出由推力引起的轨道根数变化量；空间摄动考虑地球非球形引力、日月引力和太阳光压，其中，地球非球形引力引起经度漂移率摄动，日月引力引起轨道倾角摄动，太阳光压引起偏心率摄动。

6.如权利要求5所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤2实现方法为，

所述的地球静止轨道卫星电推力器包括电推力器和矢量调节机构；所述矢量调节机构为具有四个及以上自由度的矢量调节机构；所述矢量调节机构数量为两个及以上，形成矢量调节机构组；所述电推力器数量与矢量调节机构数量相同，电推力器安装在矢量调节机构末端；所述矢量调节机构安装在卫星背地板上，安装位置需保证矢量调节机构组驱动相应电推力器产生用于位置保持所需的速度增量；通过驱动矢量调节机构运动调整推力器的位置和姿态，正常工作时，推力器指向卫星质心；即完成建立电推力器布局；

各推力器推力矢量沿T，N，R三轴的投影系数为

其中，kT，kN，kR分别为推力器在轨道坐标系中沿T，N，R三轴的投影系数；dT，dN，dR分别为推力器安装位置在轨道坐标系中沿T，N，R三轴坐标的绝对值。

7.如权利要求6所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤3实现方法为，

单个完整的位保周期是p天，由单个为期q天的轨道确定周期和若干个小控制周期组成，所述的p＞q；每个小控制周期内，南北矢量调节机构各调整一次，南北推力器各开机两次，北侧推力器开机赤经分别在0°～90°和90°～180°区间内，南侧推力器开机赤经分别在180°～270°和270°～360°区间内；

对于每个小控周期而言，把期望的轨道倾角、漂移率和偏心率改变量作为等式约束，期望的轨道倾角改变量为

其中，Δixd和Δiyd为期望的轨道倾角改变量；kN_NW和kN_SE分别为北侧和南侧推力器的法向系数；lNW1、lNW2、lSE1和lSE2分别为北侧推力器第一次点火、北侧推力器第二次点火、南侧推力器第一次点火和南侧推力器第二次点火时的赤经；ΔvNW1、ΔvNW2、ΔvSE1和ΔvSE2分别为北侧推力器第一次点火、北侧推力器第二次点火、南侧推力器第一次点火和南侧推力器第二次点火产生的速度增量；

期望的漂移率改变量为

其中，ΔDd为期望的经度漂移率改变量；kT_NW和kT_SE分别为北侧和南侧推力器的切向系数；

期望的偏心率改变量为

其中，Δexd和Δeyd为期望的偏心率改变量；kR_NW和kR_SE分别为北侧和南侧推力器的径向系数；

根据齐式公式，推进剂消耗量和速度增量计算公式为

其中，Δmfuel为燃料消耗量；Δv为速度增量；m0为卫星初始质量；Isp为推进剂比冲；η为推进器效率；Fp为推力器额定推力大小；Δt为推力器工作时长；

基于定制的地球静止轨道卫星位置保持策略，将式(3)-(5)作为等式约束，通过优化方式进行求解保证卫星经纬度受控。

8.如权利要求7所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤4实现方法为，

所述电推力器布局优化问题本质上是在满足每个小控周期的轨道倾角改变量(Δixd和Δiyd)、经度漂移率改变量(ΔDd)、偏心率改变量(Δexd和Δeyd)、经纬度控制精度和推力方向要求的前提下，探索每个小控周期的最优南北侧推力器矢量调节机构各关节角度、点火赤经和点火时长，使得每个小控周期燃料消耗最少；该优化问题模型如下

其中，θ1-θn分别为矢量调节机构关节1-关节n的角度；tNW1、tNW2、tSE1和tSE2分别为北侧推力器第一次点火、北侧推力器第二次点火、南侧推力器第一次点火和南侧推力器第二次点火的时长；mfuel为每个小控周期的燃料消耗量；λe和为每个小控周期结束时的经度和纬度；θF_NW和θF_SE分别为北侧和南侧推力器产生的推力与法向轴的夹角；FN_NW和FN_SE分别为北侧和南侧推力器产生的推力沿法向轴的分量；

通过优化求解式(7)所示的电推力器布局优化模型，得到每个小控周期的最优推力器布局方案。

9.如权利要求8所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤5实现方法为，

根据步骤4对每个小控周期进行推力器布局优化，判断是否达到最大位置保持天数，若是，则输出整个位置保持周期的最优推力器布局方案、点火赤经和点火时长；否则，返回步骤3。

10.如权利要求9所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤2具体实现方法为，

所述矢量调节机构组由两个四自由度矢量调节机构组成；两个四自由度矢量调节机构分别安装在卫星背地板的西北和东南角，电推力器安装在矢量调节机构的末端，通过驱动矢量调节机构运动可调整推力器的位置和姿态，正常工作时，推力器指向卫星质心；各推力器推力矢量沿T，N，R三轴的投影系数为

其中，kT，kN，kR分别为推力器在轨道坐标系中沿T，N，R三轴的投影系数；dT，dN，dR分别为推力器安装位置在轨道坐标系中沿T，N，R三轴坐标的绝对值；

步骤3具体实现方法为，

单个完整的位保周期是14天，由单个为期2天的轨道确定周期和6个为期2天的小控制周期组成；每个小控制周期内，南北矢量调节机构各调整一次，南北推力器各开机两次，北侧推力器开机赤经分别在0°～90°和90°～180°区间内，南侧推力器开机赤经分别在180°～270°和270°～360°区间内；

对于每个小控周期而言，把期望的轨道倾角、漂移率和偏心率改变量作为等式约束，期望的轨道倾角改变量为

其中，Δixd和Δiyd为期望的轨道倾角改变量；kN_NW和kN_SE分别为北侧和南侧推力器的法向系数；lNW1、lNW2、lSE1和lSE2分别为北侧推力器第一次点火、北侧推力器第二次点火、南侧推力器第一次点火和南侧推力器第二次点火时的赤经；ΔvNW1、ΔvNW2、ΔvSE1和ΔvSE2分别为北侧推力器第一次点火、北侧推力器第二次点火、南侧推力器第一次点火和南侧推力器第二次点火产生的速度增量；

期望的漂移率改变量为

其中，ΔDd为期望的经度漂移率改变量；kT_NW和kT_SE分别为北侧和南侧推力器的切向系数；

期望的偏心率改变量为

其中，Δexd和Δeyd为期望的偏心率改变量；kR_NW和kR_SE分别为北侧和南侧推力器的径向系数；

根据齐式公式，推进剂消耗量和速度增量计算公式为

其中，Δmfuel为燃料消耗量；Δv为速度增量；m0为卫星初始质量；Isp为推进剂比冲；η为推进器效率；Fp为推力器额定推力大小；Δt为推力器工作时长；

基于定制的地球静止轨道卫星位置保持策略，将式(9)-(11)形成的作为等式约束，通过优化方式进行求解保证卫星经纬度受控；

步骤4具体实现方法为，

当所述矢量调节机构组由两个四自由度矢量调节机构组成时，所述电推力器布局优化问题本质上是在满足每个小控周期的轨道倾角改变量(Δixd和Δiyd)、经度漂移率改变量(ΔDd)、偏心率改变量(Δexd和Δeyd)、经纬度控制精度和推力方向要求的前提下，探索每个小控周期的最优南北侧推力器矢量调节机构关节1和关节2角度、点火赤经和点火时长，使得每个小控周期燃料消耗最少；该优化问题模型如下

其中，θNW1和θNW2分别为北侧推力器关节1和关节2的角度；θSE1和θSE2分别为南侧推力器关节1和关节2的角度；tNW1、tNW2、tSE1和tSE2分别为北侧推力器第一次点火、北侧推力器第二次点火、南侧推力器第一次点火和南侧推力器第二次点火的时长；mfuel为每个小控周期的燃料消耗量；λe和为每个小控周期结束时的经度和纬度；θF_NW和θF_SE分别为北侧和南侧推力器产生的推力与法向轴的夹角；FN_NW和FN_SE分别为北侧和南侧推力器产生的推力沿法向轴的分量；

通过优化求解式(13)所示的电推力器布局优化模型，得到每个小控周期的最优推力器布局方案。