一种中轨道北斗导航卫星废弃轨道选取带确定方法与流程

本发明属于中轨道北斗导航卫星废弃轨道处置领域，具体涉及一种中轨道北斗导航卫星废弃轨道选取带的确定方法。

背景技术：

中地球轨道(mediumearthorbit)区域是导航卫星的主要运行区域，随着四大全球导航定位系统的不断发展，新的导航卫星不断发射升空用来完善星座构型和替换已经失效的卫星。在摄动力的长期作用下，导航星座废弃卫星及上面级的偏心率不断增长，使得导航星座卫星穿越问题日益凸显。2002年通过的《iadc空间碎片减缓指南》对geo(geostationaryorbit)和leo(lowearthorbit)轨道类型的航天器均给出了寿卫星到寿的具体处置原则，而对其他轨道上的卫星，原文要求为“航天器或上面级在完成它的运行阶段穿过其它轨道区域，应实施轨道机动来减小轨道寿命，可与leo卫星限制寿命标准相当，如果对其他高利用率区造成干扰，其处置办法另议”。因此，对meo卫星离轨还没有明确的处置原则。

由于推进剂限制，中轨道区域的航天器很难机动至低轨道或地球静止轨道区域。目前，gps废弃卫星中8颗接近gps运行轨道，2颗调整到低于gps运行轨道，25颗机动到高于gps运行轨道的废弃轨道上。由于没有偏心率增长控制策略，这些废弃卫星已经穿过glonass、gps和bds星座的轨道高度，并且在bds轨道高度上有空间密度峰值。glonass有100个废弃卫星遗留在运行轨道，因此在glonass轨道高度上空间物体较为密集。galileo有2颗giove卫星分别离轨在高于galileo轨道118和598km轨道高度上。北斗二号卫星导航系统中的4颗中轨道卫星分别于2012年4月30日、2012年9月19日发射，下一步都将面临到寿问题，如何设计北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道，是摆在我们面前一个很迫切的问题。

目前，国际上对于中轨道卫星到寿处置尚没有明确的处置原则，学者对废弃轨道的研究较少。为了更好地指导北斗卫星导航系统中轨道卫星的到寿处置，本发明提出一种中轨道北斗导航卫星废弃轨道选取带的确定方法。第一步，根据现有gps、北斗和galileo卫星的远、近地点，计算gps、北斗和galileo卫星的漂移区上、下限；第二步，考虑到测控误差，在漂移区域基础上在增加一个50km的碰撞风险带；第三步，根据现有北斗卫星偏心率控制能力，计算北斗废弃卫星漂移区域的范围；第四步，根据gps废弃卫星漂移区域上限和北斗废弃卫星漂移区域下限，确定北斗卫星下推废弃轨道选取带范围，根据北斗废弃卫星漂移区域上限和galileo废弃卫星漂移区域下限，确定北斗卫星抬升废弃轨道选取带范围。利用该方法，可以减少废弃卫星干扰在轨运行的北斗导航卫星，为其到寿处置提供参考。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种中轨道北斗导航卫星废弃轨道选取带的确定方法，包括以下步骤：

步骤1：根据现有中轨道gps、galileo和北斗导航卫星的远、近地点高度，计算gps、galileo和北斗卫星的漂移区上、下限；

卫星漂移区域的上下限值取决于在轨卫星的漂移范围，统计现有中轨道gps、galileo和北斗中轨道导航卫星的远、近地点高度，分别计算卫星的漂移区域上、下限：

式中，ramax表示卫星远地点的平均值，rpmin表示卫星近地点的平均值，m、n分别为近地点高度高于和低于gps运行轨道高度的卫星数目，i、j为卫星序号，ai为半长轴，raj为卫星远地点高度，rpi为卫星近地点高度，re为地球半径；

步骤2：考虑到测控误差，在漂移区域基础上在增加一个50km的碰撞风险带；

由于测控和计算误差的影响，为了进一步增加安全裕度，在卫星漂移区域上下限扩大50km；

式中，rmax表示漂移区域的上限，rmin表示漂移区域的下限，ramean为卫星远地点高度平均值，rpmean为卫星近地点高度平均值；

步骤3：计算北斗废弃卫星漂移区域的范围；

北斗二号卫星的偏心率能控制在0.005以内，即以0.0001～0.005作为废弃卫星轨道偏心率的选择区间，废弃卫星漂移区域的边界满足下式：

式中，rmax表示漂移区域的上限，rmin表示漂移区域的下限，amax、amin分别为废弃卫星轨道漂移区域的边界值，e为偏心率；

步骤4：计算北斗废弃卫星的下推和抬升废弃轨道选取带的范围；

由步骤3确定的gps废弃卫星漂移区域上限和北斗废弃卫星漂移区域下限，确定北斗卫星下推废弃轨道选取带范围；由北斗废弃卫星漂移区域上限和galileo废弃卫星漂移区域下限，确定北斗卫星抬升废弃轨道选取带范围。

附图说明

图1为本发明提供的一种北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计方法流程图；

图2为北斗二号中轨道卫星废弃轨道选择区域示意图；

图3为导航卫星远、近地点高度分布图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1、图2，本发明提供一种北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据现有中轨道gps、galileo和北斗导航卫星的远、近地点高度，计算gps、galileo和北斗卫星的漂移区上、下限；

卫星漂移区域的上下限值取决于在轨卫星的漂移范围，统计现有中轨道gps、galileo和北斗中轨道导航卫星的远、近地点高度，如图3，分别计算卫星的漂移区域上、下限；

卫星漂移区域上、下限计算公式如下：

式中，ramax表示卫星远地点的平均值，rpmin表示卫星近地点的平均值，m、n分别为近地点高度高于和低于gps运行轨道高度的卫星数目，i、j为卫星序号，ai为半长轴，raj为卫星远地点高度，rpi为卫星近地点高度，re为地球半径；

对gps，早期发射的导航卫星轨道倾角在62°～65°之间，而北斗卫星的倾角为55°，不造成干扰而排除，同时发现早期的gps卫星近地点高度高于运行轨道高度20200km，因此一直在留在运行轨道高度上方，在计算漂移区域上限时取其半长轴，对于其它卫星则正常取远地点高度进行计算，经计算gps卫星漂移区域上限为20780km；

对北斗星座，北斗卫星没有穿越到其它导航星座区域，经计算北斗漂移区域上下限分别为21644km和21504km；

对galileo星座，除了2014年发射的两颗卫星近地点高度已经达到17000km，已经穿越到glonass下方，可以排除，其它卫星均在运行轨道高度23222km附近，经计算，galileo卫星漂移区域下限为23212km；

步骤2：考虑到测控误差，在漂移区域基础上在增加一个50km的碰撞风险带；

由于测控和计算误差的影响，为了进一步增加安全裕度，在卫星漂移区域上下限扩大50km；

式中，rmax表示漂移区域的上限，rmin表示漂移区域的下限，ramean为卫星远地点高度平均值，rpmean为卫星近地点高度平均值；

经计算，gps漂移区域的上限为20830km，北斗漂移区域的上、下限分别为21694km和21454km，galileo漂移区域的下限为23162km；

步骤3：计算北斗废弃卫星漂移区域的范围；

北斗二号卫星的偏心率能控制在0.005以内，即以0.0001～0.005作为废弃卫星轨道偏心率的选择区间，废弃卫星漂移区域的边界满足下式：

式中，rmax表示漂移区域的上限，rmin表示漂移区域的下限，amax、amin分别为废弃卫星轨道漂移区域的边界值，e为偏心率；

经计算，废弃卫星漂移区域1的上边界为20934km，废弃卫星漂移区域2的下边界为21347km；废弃卫星漂移区域3的上边界为21802km，废弃卫星漂移区域4的下边界为23046km；

步骤4：计算北斗废弃卫星的下推和抬升废弃轨道选取带的范围；

由步骤3确定的gps废弃卫星漂移区域上限和北斗废弃卫星漂移区域下限，确定北斗卫星下推废弃轨道选取带范围为[20934km，21347km]；由北斗废弃卫星漂移区域上限和galileo废弃卫星漂移区域下限，确定北斗卫星抬升废弃轨道选取带范围为[21802km，23046km]。

本发明提供的一种北斗卫星导航系统中轨道卫星废弃轨道优化设计方法具有以下优点：

(1)对北斗卫星废弃轨道带的选取不仅考虑了北斗卫星分布情况，同时还考虑了galileo和gps，有利于整个中轨道区域的安全；

(2)选取了抬升和下推两种策略，针对不同到寿卫星或上面级可以灵活处置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。