近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法技术

本发明专利技术公开了一种近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法，其包括下列步骤：步骤一，设置计算条件，包括计算时间段、组网条件约束、光照角及其变化方向条件约束、卫星入轨弹道；步骤二，一次性计算在指定时间段内所有满足组网条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤三，一次性计算在指定时间段内所有满足光照条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用。本发明专利技术能够梳理典型发射窗口约束，输入、输出明确，独立对各约束进行计算后进行汇总，便于增减约束的二次开发，便于卫星总体设计人员对发射窗口进行快速设计，并确保设计精度。

Rapid design method for launching window of near earth tilt orbit

The invention discloses an inclined near earth orbit launch window design method, which comprises the following steps: 1, setting calculation conditions, including the calculation time, network condition, illumination angle and its change direction constraint, the satellite orbit trajectory; step two, calculated in a specified period of time all meet all the windows network the constraint of the time interval before and after along, to give a Julian day form for subsequent link call; step three, one-time calculation within a specified period of time to meet all the illumination conditions before and after the window all along the interval, is given in the form of a Julian day, calling for subsequent links. The invention can sort out the typical launch window constraints, input and output are calculated for each clear, independent constraints were collected, two times the development of easy to change constraints, facilitate the satellite system design personnel for the rapid design of the launch window, and ensure the accuracy of design.

【技术实现步骤摘要】
近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法
本专利技术涉及一种设计方法，特别是涉及一种近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法。
技术介绍
近地倾斜(非太阳同步)轨道卫星具有遍历、冻结、低纬度覆盖好等诸多特点，适用多种应用场景，已越来越多得被卫星设计者采用。与太阳同步轨道每天发射窗口相同的特点不同，非太阳同步轨道的每日发射窗口均不相同。对于窗口的计算，目前普遍采用的遍历计算方法依次判定每一个时间微元对应的轨道特性是否符合设计约束，整理所有符合条件的微元集合称为发射窗口。此种方法随简单可靠，但计算量大，倘若进行一整年的窗口计算，其计算时间长，精度也收到微元大小的影响。随着航天技术的发展，卫星研制周期的缩短、研制任务的增加，由于传统设计方法设计速度慢、设计精度不足的问题，已不能满足现阶段卫星设计需求。为此，有必要开发一种能够确保计算精度的快速的算法，令总体任务规划者在无需熟悉轨道专业知识的情况下，仍能对发射窗口进行快速精准的设计，提高研制效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法，其能够梳理典型发射窗口约束，输入、输出明确，独立对各约束进行计算后进行汇总，便于增减约束的二次开发，便于卫星总体设计人员对发射窗口进行快速设计，并确保设计精度。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法，其包括下列步骤：步骤一，设置计算条件，包括计算时间段、组网条件约束、光照角及其变化方向条件约束、卫星入轨弹道；步骤二，一次性计算在指定时间段内所有满足组网条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤三，一次性计算在指定时间段内所有满足光照条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤四，按日期归并前后沿区间，输出近地倾斜轨道发射窗口设计方案。优选地，所述步骤二和步骤三中的组网条件约束和光照条件约束均统一至TrueOfDate坐标系进行记录。优选地，所述步骤二中的组网条件约束以两星升交点赤经差别的区间作为设计约束，一次性给出指定时间段内所有满足约束区间上下限对应的发射窗口前后沿集合。优选地，所述步骤二中的组网条件约束，其约束过程具有高精度轨道递推能力，在低轨星座任务中，采用任一历元下的已在轨卫星参数均可作为输入直接参与后续星的窗口设计。优选地，所述步骤三中的光照条件约束直接使用轨道面光照角作为输入。优选地，所述光照条件约束仅通过约束区间上下限计算窗口前后沿，并通过算法判断属于前沿或是后延，按逻辑进行归类。本专利技术的积极进步效果在于：本专利技术能够梳理典型发射窗口约束，输入、输出明确，独立对各约束进行计算后进行汇总，便于增减约束的二次开发，便于卫星总体设计人员对发射窗口进行快速设计，并确保设计精度。附图说明图1为本专利技术的流程框图。图2为本专利技术的光照约束的窗口计算框图。图3为轨道根数到位置速度的转换关系的示意图。具体实施方式下面结合附图给出本专利技术较佳实施例，以详细说明本专利技术的技术方案。如图1至图3所示，近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法包括下列步骤：步骤一，设置计算条件，包括计算时间段、组网条件约束、光照角及其变化方向条件约束、卫星入轨弹道等信息；步骤二，一次性计算在指定时间段内所有满足组网条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤三，一次性计算在指定时间段内所有满足光照条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤四，按日期归并前后沿区间，输出近地倾斜轨道发射窗口设计方案。步骤二和步骤三中的组网条件约束和光照条件约束均统一至TrueOfDate坐标系进行记录，杜绝了坐标系原因产生的设计误差。步骤二中的组网条件约束以两星升交点赤经差别的区间作为设计约束，一次性给出指定时间段内所有满足约束区间上下限对应的发射窗口前后沿集合；对于降轨发射，两星的升交点赤经Ω2(t)可按下式计算如式(1)：式中，t为入轨时间；SG(t)为发射日格林尼治恒星时角；λ为入轨点经度；为入轨点地心纬度；i为轨道倾角；对入轨时间t进行搜索，当满足Ω2(t)-Ω1(t)＝ΔΩ时停止搜索。发射时间tL可表示为如式(2)：tL＝t0–t主动段(2)步骤二中的组网条件约束，其约束过程具有高精度轨道递推能力，在低轨星座任务中，采用任一历元下的已在轨卫星参数均可作为输入直接参与后续星的窗口设计。步骤三中的光照条件约束直接使用轨道面光照角作为输入，通过少量迭代直接计算卫星入轨时间，耗时少，精度高，避免了以入轨时间为输入的遍历型算法耗时甚长且精度低的不足；本环节依据β角约束上下限输出4个对应的升交点赤经，供后续环节处理(流程参见图2)。考虑到光照约束形式为β角而非降交点地方时，且每日不同的太阳位置会影响到β角，故发射窗口的计算结果会呈现每日不同的情况。计算过程在整个周年范围内分别针对每日的太阳位置计算了满足给定β角的升交点赤经，并由此推得发射时刻。发射窗口的计算方法较为复杂，为便于理解，以下以公式形式给出了以β角为输入的发射窗口估算方法，步骤如下：(1)以指定日期的某一时刻作为太阳矢量S的迭代初始值；(2)由如下关系可求得升交点赤经Ω，如式(3)：其中，h为轨道角动量，β为轨道面β角，N为轨道升节线，S为太阳矢量(读取自DE405星历)；(3)由如下关系可求得本次迭代的入轨时间：由下式可求得入轨时间t0，如式(4)：其中，ωe为地球自转角速度，Ω为升交点赤经，λ、分别为入轨点经纬度，SG为发射日0时的格林威治平恒星时，可由下式表示如式(5)：SG＝18h.697374558+879000h.051336907T+0s.093104T2(5)式中，T为儒略世纪；(4)以求得的t0作为太阳矢量S的下一步迭代输入；反复进行(1)～(4)，直至收敛；(5)扣除发射用时得到发射时间tL，如式(6)：tL＝t0–t主动段(6)组网条件约束的设计约束为β角的演化方向，以此为依据对前续环节输出的四个升交点赤经进行判别，划分出其中两个作为一组可行区间对应发射窗口前后沿，判定原则如下：倾角90°以下的轨道为西漂情况，对于此类情况，令如式(7)：Δ＝Ω-λs+90°-180°≤Δ≤+180°(7)式中，λs为太阳赤经，Ω为当前升交点赤经。当-90°≤Δ≤+90°时，为向下变化；否则为向上变化。光照条件约束仅通过约束区间上下限计算窗口前后沿，并通过算法判断属于前沿或是后延，按逻辑进行归类，约束区间内外部分均无需计算，大大节省了计算时间。本专利技术的工作原理如下：步骤一，设置计算条件，包括计算时间段(日期)、组网条件约束、光照角及其变化方向约束、卫星入轨弹道等信息。步骤二，将各轨道参数统一至TrueOfDate坐标系，转换方式为：先又根数转至位置速度坐标，后转至新的坐标系，再转回根数。轨道面位于近焦点坐标系pqw中，p、q、w轴分别指向椭圆轨道的近地点方向、半通径方向和轨道面正法向。卫星在近焦点坐标系中的位置和速度可表示为如式(8)和(9)：地心赤道坐标系的X轴指向春分点，Z轴指向天球北极，Z轴与X轴叉乘得到Y轴。将地心赤道坐标系依次绕Z轴旋转Ω角度，绕X轴旋转i角度，再绕Z轴旋转ω角度即可得到pqw坐标系。连续三次旋转得到的坐标变换矩阵可表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法，其特征在于，其包括下列步骤：步骤一，设置计算条件，包括计算时间段、组网条件约束、光照角及其变化方向条件约束、卫星入轨弹道；步骤二，一次性计算在指定时间段内所有满足组网条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤三，一次性计算在指定时间段内所有满足光照条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤四，按日期归并前后沿区间，输出近地倾斜轨道发射窗口设计方案。

【技术特征摘要】
1.一种近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法，其特征在于，其包括下列步骤：步骤一，设置计算条件，包括计算时间段、组网条件约束、光照角及其变化方向条件约束、卫星入轨弹道；步骤二，一次性计算在指定时间段内所有满足组网条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤三，一次性计算在指定时间段内所有满足光照条件约束的所有窗口的前后沿区间，以儒略日形式给出，供后续环节调用；步骤四，按日期归并前后沿区间，输出近地倾斜轨道发射窗口设计方案。2.如权利要求1所述的近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三中的组网条件约束和光照条件约束均统一至TrueOfDate坐标系进行记录。3.如权利要求1所述的近地倾斜轨道发射窗口快速设计方法，其特征在于，所述步骤二中的组网条件约束以两星升交点...

【专利技术属性】
技术研发人员：许哲，沈庆丰，叶小舟，黄欣，李绿萍，李楠，陆启省，李鉴，邓武东，袁双，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31