一种基于太阳光压的中轨道卫星离轨方法技术

本发明专利技术提供一种基于太阳光压的中轨道卫星离轨方法，考虑到中轨道区域目前还没有明确的废弃卫星处理原则以及太阳帆技术的发展前景，建立废弃卫星的摄动力模型，废弃卫星长期演化模型，分析了有无太阳帆情况下的长期演化情况，验证了太阳帆实现再入大气层的可行性，以及研究初始轨道参数对废弃卫星长期演化的影响，为选择合适的再入大气层初始轨道参数提供了参考。

A Method of De-orbit for Medium Orbit Satellite Based on Solar Pressure

The present invention provides a method of derailment of medium orbit satellite based on solar pressure. Considering that there is no clear disposal principle of abandoned satellite in medium orbit area and the development prospect of solar sail technology, the perturbation model of abandoned satellite is established, the long-term evolution model of abandoned satellite is established, and the long-term evolution model of abandoned satellite is analyzed with or Evolution verifies the feasibility of solar sail reentry into the atmosphere, and studies the influence of initial orbit parameters on the long-term evolution of abandoned satellites, which provides a reference for selecting appropriate initial orbit parameters for reentry into the atmosphere.

【技术实现步骤摘要】
一种基于太阳光压的中轨道卫星离轨方法
本专利技术属于中地球轨道卫星离轨
，具体涉及一种基于太阳光压的中地球轨道离轨方法。
技术介绍
传统卫星离轨主要还是依靠推进剂机动，而对于中地球轨道卫星。以导航卫星为例，轨道高度约为20000km，要将其轨道高度降低到再入大气层所消耗的推进剂太大。而推进剂是卫星运行的宝贵资源，多携带近100kg推进剂不仅需要重新设计卫星结构，也会增加卫星发射成本。学者们开始探索利用摄动力进行轨道机动，而这些摄动力中，只有大气阻力和太阳光压可以利用，其他摄动力都是保守力，而大气阻力只有在轨道高度低于100km高度才比较明显，高于100km时大气阻力很小可以忽略。太阳光压的一个优势就是不消耗推进剂，只要对着太阳光就有太阳光压，但是太阳光压的量级很小，为此需要考虑一种太阳光压增强装置。基于太阳光压的MEO卫星离轨研究目前主要集中在离轨参数选择和太阳帆设计问题。其中离轨参数是指轨道参数，初始轨道参数不同，对废弃卫星长期演化起着很重要的作用。通过初始轨道参数的选择，既可以找到偏心率稳定的轨道，也可以找到偏心率增长的轨道。这些初始轨道参数包括偏心率、近地点幅角和升交点赤经。通过控制变量研究各初始轨道参数对废弃卫星的长期演化的影响，可以为初始轨道参数的选择提供遵循。
技术实现思路
针对现有MEO区域目前还没有明确的针对废弃卫星的处理原则，本专利技术提供一种基于太阳光压的MEO卫星离轨方法，提出了将太阳光帆这种新型的动力系统与废弃卫星相结合的设计，解决了传统离轨方式存在的弊端，弥补了中轨道废弃卫星离轨方案的缺乏，光帆系统直接利用太阳光压产生动力，既不会对环境造成污染，又减少了因携带燃料对有效载荷造成的占比。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种基于太阳光压的中轨道卫星离轨方法，包括以下步骤：步骤1：建立摄动力模型；空间碎片运动过程中，除了受地球中心引力的作用，还会受到复杂摄动力的作用。摄动力对碎片运行轨道的变化起着决定性作用。设碎片的运动加速度asd为可分解为：a0—地球中心引力加速度；ans—地球非球形摄动加速度；ad—大气阻力摄动加速度；as—太阳引力摄动加速度；aM—月球引力摄动加速度；asr—太阳光压摄动加速度；除了公式(1)中包含的摄动力，空间碎片在轨运行过程还受到一些微小摄动力的作用，如地球反照辐射压、相对论效应和地球固体潮等，这些微小摄动力产生的加速度量级与上述提到的主要摄动力加速度相比要小得多，在碎片环境演化计算中将不予以考虑。(1)地球非球形摄动地球非球形摄动是空间碎片在轨运行受到的量级最大的摄动力，而其中J2项摄动的影响最为显著，其摄动位函数如下：G—地球引力常数；M—地球质量；r—空间碎片在J2000惯性坐标系的坐标；i—轨道倾角；f—真近地点角；w—近地点幅角；ae—地球平均赤道半径；(2)日月三体摄动太阳和月球对空间碎片的引力摄动加速度计算公式：μS—太阳引力常数；μM—月亮引力常数；rs—太阳在J2000惯性坐标系的坐标；rM—月亮在J2000惯性坐标系的坐标；(3)太阳光压摄动太阳光压摄动加速度计算式如下：CR—光压参数，是与碎片表面材料相关的无量纲参数；P○—太阳辐射常数，可近似取值4.56*10-6N/m2；AU—日地平均距离，取值为1.49*1011；kv—阴影系数，当地球在地球本影时为0；当碎片完全处于光照时为1；在地球半影中时0<kv<1；(4)大气阻力摄动大气阻力作为一种非保守力，能够引起空间碎片轨道不但衰减最终坠入大气层，其加速度表达式为：CD—空间碎片的大气阻力系数；A/M—空间碎片的面质比；ρ—空间碎片所处位置的大气密度；vrel—空间碎片的与当地大气的相对运动速度；在综合考虑大气密度模型复杂度和精度的基础上，选择Harris-Priester模型(以下简称为H-P模型)描述大气密度的分布状态。步骤2：建立长期演化模型；废弃卫星在轨运行中受到的作用力，决定了其长期演化的运动状态。在MEO区域的废弃卫星进行长期演化我们主要考虑摄动力模型如步骤一。废弃卫星在轨过程还受到其他微小摄动力的作用，比如地球反照辐射压、相对论效应和地球固体潮等，这些微小摄动力产生的加速度量级与上述提到的主要摄动力加速度相比要小得多，在碎片环境演化计算中将不予以考虑。综上，废弃卫星的摄动力加速度计算模型可表示为公式1。为了实现对废弃进行长期演化，需要根据废弃卫星受到的作用力，采用一定推演方法对废弃卫星轨道进行不断更新，从而得到不同时刻废弃轨道参数。轨道长期演化流程图可用图2表示。步骤3：无太阳帆的废弃卫星长期演化分析；不安装太阳帆时中轨道卫星的面积较小，:在摄动力作用下(除大气阻力)，轨道的半长轴基本上不发生变化，因此，近地点高度低于100km，就可以认为再入大气层了。步骤3.1：不同初始偏心率200年长期演化初始偏心率的选取从0.001到0.01，步长为0.001，为此可以获得不同初始偏心率下200年长期演化的最大偏心率以及其变化趋势。步骤3.2：在w-Ω相空间下200年长期演化通过选取步骤3.1里偏心率最大的一组数据，在此条件下研究w-Ω相空间对废弃卫星长期演化的影响作用。研究近地点幅角和升交点赤经对废弃卫星长期演化的影响，w的取值为0-360°，Ω的取值也为0-360°，步长均为60°。以此得到w-Ω相空间的最大偏心率，可以得出w-Ω相空间对长期演化的影响以及200年内废弃卫星能否再入大气层。步骤4：有太阳光帆的废弃卫星长期演化分析；在有太阳帆的情况下，太阳帆时刻对着太阳，因此卫星靠近太阳时半长轴减小，远离太阳时半长轴增大，两者的综合作用使得半长轴基本上不发生变化。因此，当偏心率达到0.75，就可以认为再入大气层了。步骤4.1：不同初始偏心率200年长期演化初始偏心率的选取从0.001到0.01，步长为0.001，可以得到有太阳帆的废弃卫星在200年内的最大偏心率，以及不同初始偏心率情况下的偏心率长期演化。步骤4.2：在w-Ω相空间下200年长期演化从步骤4.1中获取偏心率最大的初始偏心率数组，然后分别研究近地点幅角和升交点赤经对废弃卫星长期演化的影响，可以得到有太阳帆的废弃卫星在200年内的最大偏心率，，以及不同初始近地点幅角和升交点赤经下的偏心率长期演化。通过上述步骤一方面验证在太阳帆的作用下废弃卫星能否再入大气层；另一方面则是研究各初始参数对废弃卫星长期演化的影响，以更好的选取离轨的初始参数，使废弃卫星能最快再入大气层。综上所述，本专利技术提供的一种基于太阳光压的MEO卫星离轨方法具有以下优点：针对现有的各种中轨道卫星离轨方式的不足，创新地提出了基于太阳光帆的中轨道废弃卫星离轨方案。方案提出了将太阳光帆这种新型的动力系统与废弃卫星相结合的设计，解决了传统离轨方式存在的弊端，弥补了中轨道废弃卫星离轨方案的缺乏，光帆系统直接利用太阳光压产生动力，既不会对环境造成污染，又减少了因携带燃料对有效载荷造成的占比，同时也有效的缩短了离轨的时长，是一种环保便利的中轨道废弃卫星离轨方案。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于太阳光压的中轨道卫星离轨方法的流程示意图；图2为轨道长期演化流程图；图3为太阳帆姿态控制图；图4为无太阳帆的废弃卫星在不同初始偏心率的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于太阳光压的在轨道卫星离轨方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立摄动力模型；根据中轨道区域的特性，在摄动力模型选取上，主要考虑摄动力模型如下：地球非球形摄动力，日月三体引力，太阳光压和大气阻力；废弃卫星在轨过程还受到其他微小摄动力的作用，但这些微小摄动力产生的加速度量级与上述提到的主要摄动力加速度相比要小得多，在碎片环境演化计算中将不予以考虑；步骤2：建立轨道长期演化模型；为了实现对轨道进行长期演化，需要根据废弃卫星受到的作用力，采用高精度推演方法对废弃卫星轨道进行不断更新，从而得到不同时刻废弃轨道参数；步骤3：无太阳帆的废弃卫星长期演化分析；首先分析不同初始偏心率下的废弃卫星200年长期演化，然后分析升交点赤经和近地点相空间的长期演化，获得200年内最大偏心率，并与再入大气层需要的最小偏心率比较，验证无太阳帆条件下废弃卫星200年内不能再入大气层；步骤4：有太阳光帆的废弃卫星长期演化分析；分析初始偏心率、近地点幅角和升交点赤经对废弃卫星200年长期演化的影响，获得200年内最大偏心率，并与再入大气层需要的最小偏心率比较，验证了基于太阳光压的中轨道卫星离轨的可行性，同时为离轨的初始轨道参数选择提供了参考。...

【技术特征摘要】
1.一种基于太阳光压的在轨道卫星离轨方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立摄动力模型；根据中轨道区域的特性，在摄动力模型选取上，主要考虑摄动力模型如下：地球非球形摄动力，日月三体引力，太阳光压和大气阻力；废弃卫星在轨过程还受到其他微小摄动力的作用，但这些微小摄动力产生的加速度量级与上述提到的主要摄动力加速度相比要小得多，在碎片环境演化计算中将不予以考虑；步骤2：建立轨道长期演化模型；为了实现对轨道进行长期演化，需要根据废弃卫星受到的作用力，采用高精度推演方法对废弃卫星轨道进行不断更新，从而得到不同时刻废弃轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡敏，徐家辉，宋俊玲，胡一文，旷鸿宇，孙鸿强，王怀鹏，赵玉龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11