一种针对全电推进卫星的推力器布局方法技术

一种针对全电推进卫星的推力器布局方法，首先建立卫星背地板直角坐标系，在卫星背地板靠近南板一侧装配三台电推力器，在卫星背地板靠近北板一侧装配三台电推力器，然后将卫星使用运载火箭发射至同步转移轨道，在星箭分离后，根据各个电推力器的工作情况使用电推进完成卫星轨道转移任务，直至卫星从同步转移轨道转移到地球静止轨道，最后根据各个电推力器的工作情况，使得对应的电推力器在适应区域点火完成卫星位置保持。本发明专利技术方法通过四台推力器的联合完成卫星寿命期内的轨道转移和位置保持任务，可以有效降低全电推进卫星对推力器推力大小和寿命的需求，增加了全电推进卫星对电推力器的适应性，具有对单台推力器失效前后点火位置、推进剂消耗等均基本不变的优点。

Thruster layout method for full electric propulsion satellite

For a full electric propulsion satellite thruster layout method, first floor back establishment of satellite Cartesian coordinate system, three electric thruster assembly near the south side in the back board satellite assembly of the three floor, near the north side of the electric thruster in satellite back floor, and then use the satellite launch vehicle to transfer orbit, after the separation of satellite rocket and according to the various working condition of electric thruster using electric propulsion satellite orbit transfer task, until the satellite from synchronous transfer orbit to geostationary orbit, according to various working conditions of electric thruster, the electric thruster corresponding to the ignition position and keep the satellite region. The method of the invention through four thrusters jointly completed the life period of the satellite orbit transfer and position keeping tasks, can effectively reduce the electric propulsion of satellite thruster size and life demand, increase the total electric propulsion satellite of electric thruster adaptability, has the advantages of ignition position, propellant consumption of before and after single thruster failure are basically the same.

【技术实现步骤摘要】
一种针对全电推进卫星的推力器布局方法
本专利技术涉及三轴稳定地球静止轨道卫星的电推力器布局方法，特别是一种针对全电推进卫星的推力器布局方法，针对完全利用电推进完成转移轨道变轨任务、同步轨道姿态和轨道控制任务的全电推进卫星。
技术介绍
对于使用运载火箭发射至同步转移轨道的静止轨道卫星，卫星需要携带足够的推进剂，以完成转移轨道变轨、同步轨道姿态和轨道控制等任务。对于使用化学推进的卫星，推进剂携带量一般会达到总发射重量的55％甚至更高。电推进以其高比冲省燃料的特点逐渐成为静止轨道卫星的标准配置。全电推进卫星全部使用电推进完成星箭分离后的同步转移轨道至地球静止轨道的变轨任务，全寿命在轨期间的南北位置保持、东西位置保持任务，以及动量卸载任务。相同载荷配置和在轨寿命条件下，全电推进卫星的发射重量可以降低接近50％。电推进的高比冲显著降低了卫星推进剂的携带量，但是电推进应用也存在如下两个特点：(1)电推进推力较小，一般为几十毫牛至百毫牛量级，由此导致整星对电推力器的寿命需求较高。作为全电推进卫星的主推进，推进系统的可靠性是一个重要考核指标。长寿命需求导致电推进的可靠性验证较化学推进周期、难度、成本大幅提升。(2)传统化学推力器一般配置十几至二十几台推力器，实现冗余备份。而对于电推进，由于推力器尺寸、供电、供气等使用约束，推力器数量一般较少，需要优化在轨使用策略，实现推力器的冗余、备份。当前，我国通过东方红三号B等卫星平台的研制，设计并验证了推力为几十毫牛级、使用寿命为一万小时量级的电推进产品。全电推进卫星较东方红三号B卫星电推进任务更多，导致推力和寿命需求大幅提升。由于国内外现有针对全电推进卫星的电推力器布局均没有考虑或没有把上述两个特点作为主要设计约束，导致技术成熟的电推力器产品无法使用。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种针对全电推进卫星的推力器布局方法，解决了现有的全电推进卫星中推力器布局过度冗余的问题，具有很好的使用价值。本专利技术的技术解决方案是：一种针对全电推进卫星的推力器布局方法，包括如下步骤：(1)以卫星背地板中心为原心、以指向卫星北板的方向为Y轴正向、X轴符合右手定则建立卫星背地板直角坐标系，然后在卫星背地板靠近南板一侧装配三台电推力器，并记为电推力器3、电推力器4、电推力器6，电推力器6位于Y轴，电推力器3、电推力器4关于Y轴轴对称，电推力器3、电推力器4、电推力器6质心在卫星背地板直角坐标系中的Y轴坐标值相等；在卫星背地板靠近北板一侧装配三台电推力器，并记为电推力器1、电推力器2、电推力器5，电推力器5位于Y轴，电推力器1、电推力器2关于Y轴轴对称，电推力器1、电推力器2、电推力器5质心在卫星背地板直角坐标系中的Y轴坐标值相等；电推力器1、电推力器3关于X轴对称，电推力器5、电推力器6关于X轴对称，电推力器2、电推力器4关于X轴对称，电推力器5的Y轴坐标为正；(2)将卫星使用运载火箭发射至同步转移轨道，在星箭分离后，使用电推进完成卫星轨道转移任务，在使用电推进完成卫星轨道转移任务时，当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4均正常时，控制电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4推力器同时点火，且令电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4的推力方向均平行，电推力器2、电推力器3推力形成的平面通过卫星质心，电推力器1、电推力器4推力形成的平面通过卫星质心，直至完成卫星轨道转移任务；当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中的一台故障时，将电推力器5、电推力器6以及电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中未故障且关于X轴对称的两台电推力器同时点火，令电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中未故障且关于X轴对称的两台电推力器的推力方向平行，且两推力形成的平面通过卫星质心，电推力器5、电推力器6推力方向平行且两推力形成的平面通过卫星质心，直至完成卫星轨道转移任务；所述的卫星轨道转移任务为将卫星从同步转移轨道转移到地球静止轨道；(3)当卫星进入地球静止轨道后，使用电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4、电推力器5、电推力器6完成卫星位置保持，使得卫星位置保持以N’天为一个位置保持周期；当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4均正常时，在第1至第N’-2天，令电推力器1在卫星赤经位于区域[90°-β1,90°]点火、电推力器2在卫星赤经位于区域[90°,90°+β2]点火、电推力器3在卫星赤经位于区域[270°-β1,270°]点火、电推力器4在卫星赤经位于区域[270°,270°+β2]点火，在第N’-1至第N’天，对卫星进行测轨并规划下一个位置保持周期的β1和β2；其中，式中，m为卫星质量，ne为地球自转角速度，Fn为每台电推力器推力在Y轴方向的分量，Fd为每台电推力器推力在X轴方向的分量，△Vn为第1至第N’-2天中每天需要完成的南北位置保持速度增量，△Vd为第1至第N’-2天中每天需要完成的东西位置保持速度增量；当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中的一台故障时，使用电推力器5、电推力器6以及电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中未故障且关于X轴对称的两台电推力器进行位置保持，将电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中未故障且关于X轴对称的两台电推力器中分别记为第一电推力器、第二电推力器，在第1至第N’-2天，每天第一电推力器在卫星赤经位于区域[90°-α1,90°]点火、5号推力器在卫星赤经位于区域[90°,90°+α0]点火、6号推力器在卫星赤经位于区域[270°-α0,270°]点火，第二电推力器在卫星赤经位于区域[270°,270°+α2]点火，在第N’-1至第N’天，在地面对卫星进行测轨，并规划下一个位保周期的α0、α1和α2；其中Fn'(α1+α2)+2Fnα0＝ΔVnmneFd'(α1-α2)＝ΔVdmne式中，F’n为电推力器5在Y轴方向的推力分量，F’d为6号推力器在X轴方向的推力分量。所述的N’＝14。所述的α0、α1、α2为最小M+N+K对应的Fn'(α1+α2)+2Fnα0＝ΔVnmne、Fd'(α1-α2)＝ΔVdmne计算得到的解，其中，M为α0-α1的绝对值，N为α1-α2的绝对值，K为α0-α2的绝对值。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术方法通过四台推力器的联合完成卫星寿命期内的轨道转移和位置保持任务，可以有效降低全电推进卫星对推力器推力大小和寿命的需求，增加了全电推进卫星对电推力器的适应性；(2)本专利技术方法通过配置六台电推力器，解决了单台推力器失效时应用策略复杂、推进剂消耗增加的问题，具有对单台推力器失效前后点火位置、推进剂消耗等均基本不变的优点。附图说明图1为本专利技术方法中全电推进卫星电推力器布局示意图；图2为本专利技术方法中全电推进卫星位置保持时的电推进点火周期和每个周期内所实施的操作。具体实施方式本专利技术针对全电推进卫星技术的不足，设计了一种电推力器布局方法，解决了现有的全电推进卫星中推力器布局过度冗余的问题，具有很好的使用价值，下面结合附图对本专利技术方法进行详细说明。如图1为本专利技术全电推进卫星电推力器布局示意图，本专利技术对应的推力器布局方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对全电推进卫星的推力器布局方法，其特征在于包括如下步骤：(1)以卫星背地板中心为原心、以指向卫星北板的方向为Y轴正向、X轴符合右手定则建立卫星背地板直角坐标系，然后在卫星背地板靠近南板一侧装配三台电推力器，并记为电推力器3、电推力器4、电推力器6，电推力器6位于Y轴，电推力器3、电推力器4关于Y轴轴对称，电推力器3、电推力器4、电推力器6质心在卫星背地板直角坐标系中的Y轴坐标值相等；在卫星背地板靠近北板一侧装配三台电推力器，并记为电推力器1、电推力器2、电推力器5，电推力器5位于Y轴，电推力器1、电推力器2关于Y轴轴对称，电推力器1、电推力器2、电推力器5质心在卫星背地板直角坐标系中的Y轴坐标值相等；电推力器1、电推力器3关于X轴对称，电推力器5、电推力器6关于X轴对称，电推力器2、电推力器4关于X轴对称，电推力器5的Y轴坐标为正；(2)将卫星使用运载火箭发射至同步转移轨道，在星箭分离后，使用电推进完成卫星轨道转移任务，在使用电推进完成卫星轨道转移任务时，当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4均正常时，控制电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4推力器同时点火，且令电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4的推力方向均平行，电推力器2、电推力器3推力形成的平面通过卫星质心，电推力器1、电推力器4推力形成的平面通过卫星质心，直至完成卫星轨道转移任务；当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中的一台故障时，将电推力器5、电推力器6以及电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中未故障且关于X轴对称的两台电推力器同时点火，令电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中未故障且关于X轴对称的两台电推力器的推力方向平行，且两推力形成的平面通过卫星质心，电推力器5、电推力器6推力方向平行且两推力形成的平面通过卫星质心，直至完成卫星轨道转移任务；所述的卫星轨道转移任务为将卫星从同步转移轨道转移到地球静止轨道；(3)当卫星进入地球静止轨道后，使用电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4、电推力器5、电推力器6完成卫星位置保持，使得卫星位置保持以N’天为一个位置保持周期；当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4均正常时，在第1至第N’‑2天，令电推力器1在卫星赤经位于区域[90°‑β...

【技术特征摘要】
1.一种针对全电推进卫星的推力器布局方法，其特征在于包括如下步骤：(1)以卫星背地板中心为原心、以指向卫星北板的方向为Y轴正向、X轴符合右手定则建立卫星背地板直角坐标系，然后在卫星背地板靠近南板一侧装配三台电推力器，并记为电推力器3、电推力器4、电推力器6，电推力器6位于Y轴，电推力器3、电推力器4关于Y轴轴对称，电推力器3、电推力器4、电推力器6质心在卫星背地板直角坐标系中的Y轴坐标值相等；在卫星背地板靠近北板一侧装配三台电推力器，并记为电推力器1、电推力器2、电推力器5，电推力器5位于Y轴，电推力器1、电推力器2关于Y轴轴对称，电推力器1、电推力器2、电推力器5质心在卫星背地板直角坐标系中的Y轴坐标值相等；电推力器1、电推力器3关于X轴对称，电推力器5、电推力器6关于X轴对称，电推力器2、电推力器4关于X轴对称，电推力器5的Y轴坐标为正；(2)将卫星使用运载火箭发射至同步转移轨道，在星箭分离后，使用电推进完成卫星轨道转移任务，在使用电推进完成卫星轨道转移任务时，当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4均正常时，控制电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4推力器同时点火，且令电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4的推力方向均平行，电推力器2、电推力器3推力形成的平面通过卫星质心，电推力器1、电推力器4推力形成的平面通过卫星质心，直至完成卫星轨道转移任务；当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中的一台故障时，将电推力器5、电推力器6以及电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中未故障且关于X轴对称的两台电推力器同时点火，令电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4中未故障且关于X轴对称的两台电推力器的推力方向平行，且两推力形成的平面通过卫星质心，电推力器5、电推力器6推力方向平行且两推力形成的平面通过卫星质心，直至完成卫星轨道转移任务；所述的卫星轨道转移任务为将卫星从同步转移轨道转移到地球静止轨道；(3)当卫星进入地球静止轨道后，使用电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4、电推力器5、电推力器6完成卫星位置保持，使得卫星位置保持以N’天为一个位置保持周期；当电推力器1、电推力器2、电推力器3、电推力器4均正常时，在第1至第N’-2天，令电推力器1在卫星赤经位于区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏，李强，梁新刚，仲小清，李烽，胡照，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11