基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法技术

本发明专利技术涉及到一种航天器轨道技术领域内的基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤1、建立高精度的轨道动力学模型，完成地月转移窗口搜索和奔月轨道初步设计；步骤2、建立月球借力轨道模型，绘制借力后返回轨道的关键参数等高线图，为借力参数优化设计提供初值；步骤3、利用绘制的等高线图和返回轨道设计约束，对借力参数进行优化，完成借力返回轨道设计。本发明专利技术有效解决了月球借力参数快速优化设计难题，为GEO卫星应急转移方案快速制定提供了有效的方法，数值计算结果显示了该方法的有效性。

Fast Optimal Design Method for Emergency Transfer Orbit of GEO Satellite Based on Lunar Borrowing

【技术实现步骤摘要】
基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法
本专利技术涉及到航天器轨道
，尤其涉及到航天器近地轨道与月球借力飞行轨道优化设计方法。
技术介绍
地球静止轨道(GEO)卫星在任务期间有两个主要阶段，一是地球同步转移轨道(GTO)到GEO的转移，二是GEO轨道任务执行阶段。卫星从GTO到GEO的转移涉及大幅度的轨道倾角改变和近地点抬升，需要消耗的燃料量较大，通常接近于卫星干重。因此，运载火箭在上升过程一旦出现故障，未能将卫星送入预定的GTO轨道，那么卫星将有可能由于燃料不够而无法进入GEO轨道，造成任务失败。月球借力轨道是解决GEO卫星应急转移的有效技术之一。例如，1997年的“亚洲三号”通信卫星利用月球借力，实现了从倾角为51.2°的GTO到轨道倾角仅为几度的GEO转移，挽救行动取得了成功。GEO卫星应急转移方案的制定具有突出的紧迫性特点，对应急轨道初步方案的快速设计提出了迫切的需求。现有技术探索了基于圆锥曲线拼接模型和三体模型的GEO卫星应急转移轨道设计方案，但是存在模型复杂、变量多等缺点，不利于应急转移轨道快速设计。经对现有技术的检索，中国专利技术专利CN201810358047.3，专利技术名称为一种GEO卫星的智能自主运行系统，其特征是，包括如下步骤：步骤1)系统初始化；步骤2)读取GEO卫星与其它导航卫星之间的测距和测角数据；步骤3)利用观测数据计算观测残差，作为利用深度神经网络设计的摄动估计神经网络和神经网络鲁棒项模块的输入；步骤4)摄动估计神经网络利用GEO卫星的观测残差作为输入，对摄动加速度udx、udy、udz和未建模摄动项进行估计，用于补偿相对运动模型；步骤5)神经网络鲁棒项模块以GEO卫星的观测残差作为输入，输出一个鲁棒项；步骤6)读取控制量加上摄动估计神经网络和神经网络鲁棒项模块的输出作为输入，利用神经网络状态观测器，基于动力学模型：x,y,z分别为GEO卫星相对于标称轨道的相对运动状态在以标称轨道为坐标原点的动坐标系的三个坐标轴分量；n为GEO卫星标称轨道的旋转角速度，等于地球的自转角速度；r标为GEO卫星轨道半径；udx、udy、udz分别是三个坐标轴上的摄动加速度，ucx、ucy、ucz为三个坐标轴上的控制量；μ为地球引力系数；确定GEO卫星的相对运动状态，结合已知的标称状态输出GEO卫星的估计状态；步骤7)利用神经网络控制器所实现的控制律，计算控制量；步骤8)将控制量输入给GEO卫星，得到新的卫星状态，并得到新状态对应的新的观测数据；步骤9)返回步骤2)，循环运行自主运行系统。但未能有效解决GEO卫星应急转移轨道设计变量多、优化难度大等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对GEO卫星应急转移问题，提出一种基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速初步设计方法。本专利技术能够有效解决GEO卫星应急转移轨道设计变量多、优化难度大等问题，为GEO卫星应急转移轨道快速优化设计与分析提供有益的参考。实现本专利技术的技术方案如下：本专利技术一种基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，包括如下步骤：步骤1、建立高精度的轨道动力学模型，完成地月转移窗口搜索和奔月轨道初步设计；步骤2、建立月球借力轨道模型，绘制借力后返回轨道的关键参数等高线图，为借力参数优化设计提供初值；步骤3、利用绘制的等高线图和返回轨道设计约束，对借力参数进行优化，完成借力返回轨道设计。上述技术方案中，步骤1具体包括：步骤101：建立高精度的轨道动力学模型，主要包括地球高阶引力场摄动、日月引力摄动、太阳光压以及大气阻力等因素；步骤102：定义δ为卫星近地点瞬时轨道拱线与月球位置矢量的夹角：δ＝arccos(uaps·umoon)(1)式中，uaps为卫星近地点瞬时轨道拱线单位矢量，指向远地点；umoon为月球位置矢量的单位矢量；根据上述定义，可计算得到一年时间内δ的时间历程，选取δ最小值对应的时刻，完成地月转移窗口搜索；步骤103：以上述δ最小值对应的二体轨道作为初始轨道，展开奔月轨道初步设计；为达到快速设计的目的，假设δ为0度，即初始轨道的拱线位于月球轨道平面内；假设月球为倾角为imoon的圆轨道；利用二体模型计算近地点施加的速度增量为式中，μearth为地球引力常数，amoon为月球轨道半径，rp0为初始轨道近地点地心距,a0为卫星初始轨道半长轴。至此，完成奔月轨道初步设计。上述技术方案中，步骤2具体包括：步骤201：针对月球借力轨道模型，为降低优化变量个数，忽略卫星在月球引力场内部的飞行时间，即假设月球的引力影响球半径为零；建立参考坐标系：原点为位于月球质心，y轴沿着月球速度矢量Vmoon，z轴沿着月球轨道动量矩矢量，x轴与其它轴构成右手坐标系；步骤202：在惯性坐标系下，卫星的双曲线超速矢量可以表示为V∞＝q1V∞sinαcosκ+q2V∞cosα-q3V∞sinαsinκ(3)式中，q1、q2和q3为上述参考坐标系的单位矢量；V∞为双曲线超速，由奔月轨道远地点速度和月球速度计算得到；α表示V∞与月球速度Vmoon的夹角，κ为参考坐标系下V∞在xz平面内的投影与x轴的夹角，逆时针旋转为正。在上式中，α和κ均为待设计量，决定借力后卫星的速度：Vout＝Vmoon+V∞(4)由于借力后卫星的位置矢量Rout与月球的位置矢量重合Rmoon，即Rout＝Rmoon，且Rmoon已知，因此Vout确定后，可以根据直角坐标与轨道六根数关系计算得到返回轨道的近地点、远地点和轨道倾角；同时，可以计算相应的飞越高度为式中，μmoon为月球引力常数，rmoon月球平均半径，δ为进入双曲线超速和离开双曲线超速夹角；步骤203：给定借力时惯性坐标系下月球位置矢量、速度矢量以及卫星速度矢量，可以在α-κ参数空间内计算返回轨道的近地点、远地点和轨道倾角，并绘制等高线图。上述技术方案中，步骤3具体包括：步骤301：根据绘制的等高线图、返回轨道约束以及最小化倾角的设计目标，初步选取α和κ；返回轨道的约束为rp＝rGEO(6)式中，rp为返回轨道近地点地心距，rGEO为GEO的半径。步骤302：建立优化模型：寻找最优的和使得返回轨道的倾角i最小，同时满足等式约束式(6)；步骤303：根据步骤301提供的初始猜测，利用内点法进行优化求解。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提出的基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，有效解决了月球借力参数快速优化设计难题，为GEO卫星应急转移方案快速制定提供了有效的方法，数值计算结果显示了该方法的有效性。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。图1为本专利技术方法流程图；图2为具体实施方式中返回轨道关键参数在α-κ参数空间内的等高线图；图3为具体实施方式中全过程GEO应急转移轨道初步设计结果。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应该指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例本专利技术涉及一种基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立高精度的轨道动力学模型，完成地月转移窗口搜索和奔月轨道初步设计；步骤2、建立月球借力轨道模型，绘制借力后返回轨道的关键参数等高线图，为借力参数优化设计提供初值；步骤3、利用绘制的等高线图和返回轨道设计约束，对借力参数进行优化，完成借力返回轨道设计。

【技术特征摘要】
1.一种基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立高精度的轨道动力学模型，完成地月转移窗口搜索和奔月轨道初步设计；步骤2、建立月球借力轨道模型，绘制借力后返回轨道的关键参数等高线图，为借力参数优化设计提供初值；步骤3、利用绘制的等高线图和返回轨道设计约束，对借力参数进行优化，完成借力返回轨道设计。2.根据权利要求1所述基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，其特征是：步骤1具体包括：步骤101：建立高精度的轨道动力学模型，主要包括地球高阶引力场摄动、日月引力摄动、太阳光压以及大气阻力等因素；步骤102：定义δ为卫星近地点瞬时轨道拱线与月球位置矢量的夹角：δ＝arccos(uaps·umoon)式中，uaps为卫星近地点瞬时轨道拱线单位矢量，指向远地点；umoon为月球位置矢量的单位矢量；根据上述定义，可计算得到一年时间内δ的时间历程，选取δ最小值对应的时刻，完成地月转移窗口搜索；步骤103：以上述δ最小值对应的二体轨道作为初始轨道，展开奔月轨道初步设计；为达到快速设计的目的，假设δ为0度，即初始轨道的拱线位于月球轨道平面内；同时，假设月球为倾角为imoon的圆轨道；利用二体模型计算近地点施加的速度增量为式中，μearth为地球引力常数，amoon为月球轨道半径，rp0为初始轨道近地点地心距,a0为卫星初始轨道半长轴；至此，完成奔月轨道初步设计。3.根据权利要求1所述基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，其特征是：步骤2具体包括：步骤201：针对月球借力轨道模型，为降低优化变量个数，忽略卫星在月球引力场内部的飞行时间，即假设月球的引力影响球半径为零；...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑艺裕，黄欣，宋效正，
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