一种地球静止轨道卫星电推力器及其布局优化方法技术

本发明专利技术公开的一种地球静止轨道卫星电推力器及其布局优化方法，属于航天器分系统优化领域。本发明专利技术的一种地球静止轨道卫星电推力器，包括电推力器和矢量调节机构。本发明专利技术的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，建立卫星静止轨道摄动运动模型；建立用于位置保持策略的电推力器布局，计算各推力器推力矢量沿三轴的投影系数；定制位置保持策略；建立推力器布局优化模型，通过优化求解得到每个小控周期的最优推力器布局方案；对每个小控周期进行推力器布局优化，即得到整个位置保持周期推力器布局的最优方案。本发明专利技术能够提高推力器产生推力的南北分量系数，进而提高位置保持效率，减少卫星位置保持所需的燃料消耗。

A Geostationary Satellite Electric Thruster and Its Layout Optimization Method

【技术实现步骤摘要】
一种地球静止轨道卫星电推力器及其布局优化方法
本专利技术涉及一种电推力器及其布局优化方法，属于航天器分系统优化领域。
技术介绍
地球静止轨道(GeostationaryEarthOrbit,GEO)卫星在轨运行时会受到地球非球形、第三体引力和太阳光压等摄动因素，使其逐渐偏离标称轨道。因此，GEO卫星在轨工作期间需要进行位置保持操作。电推进系统具有比冲高、推力小等特点，基于电推进系统的位保可有效减少燃料消耗并提高位保精度，近年来受到广泛应用。电推进GEO卫星在位保期间，南北位保所消耗的燃料占整个位保过程所消耗燃料的80％以上，因此，电推力器产生的推力沿南北方向的分量系数是评价位保效率的重要指标。然而，对于传统的电推力器，通常安装在卫星的背地板上，由于电推力器安装位置以及卫星尺寸的约束，以及在轨期间电推力器工作位置无法调整等缺陷，推力南北分量系数被限制在一定范围内。因此，为克服上述缺陷，本工作提出了一种新型电推力器模型(矢量调节机构驱动的电推力器模型)，即把推力器装在矢量调节机构的末端，驱动矢量调节机构调整推力器的位置和姿态。通过对此新型电推力器进行布局设计优化，可进一步提高南北分量系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地球静止轨道卫星电推力器，其特征在于：包括电推力器和矢量调节机构，所述矢量调节机构为具有四个及以上自由度的矢量调节机构；所述矢量调节机构数量为两个及以上，形成矢量调节机构组；所述电推力器数量与矢量调节机构数量相同，电推力器安装在矢量调节机构末端；所述矢量调节机构安装在卫星背地板上，安装位置需保证矢量调节机构组驱动相应电推力器产生用于位置保持所需的速度增量；通过驱动矢量调节机构运动调整推力器的位置和姿态，正常工作时，推力器指向卫星质心。

【技术特征摘要】
1.一种地球静止轨道卫星电推力器，其特征在于：包括电推力器和矢量调节机构，所述矢量调节机构为具有四个及以上自由度的矢量调节机构；所述矢量调节机构数量为两个及以上，形成矢量调节机构组；所述电推力器数量与矢量调节机构数量相同，电推力器安装在矢量调节机构末端；所述矢量调节机构安装在卫星背地板上，安装位置需保证矢量调节机构组驱动相应电推力器产生用于位置保持所需的速度增量；通过驱动矢量调节机构运动调整推力器的位置和姿态，正常工作时，推力器指向卫星质心。2.如权利要求1所述的一种地球静止轨道卫星电推力器，其特征在于：矢量调节机构数量为两个；所述矢量调节机构为具有四个自由度的矢量调节机构。3.一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1，建立卫星静止轨道摄动运动模型，作为卫星位置保持的输入；步骤2，建立用于步骤3的位置保持策略的电推力器布局，在建立的电推力器布局基础上，并计算各推力器推力矢量沿三轴的投影系数；步骤3，定制地球静止轨道卫星位置保持策略，保证卫星经纬度受控；步骤4，建立推力器布局优化模型，通过优化求解得到每个小控周期的最优推力器布局方案；步骤5，根据步骤4对每个小控周期进行推力器布局优化，完成每个小控周期的推力器布局优化后即得到整个位置保持周期推力器布局的最优方案。4.如权利要求3所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：还包括步骤6，根据步骤5得到整个位置保持周期推力器布局的最优方案，进行推力器布设安装，提高推力器产生推力的南北分量系数，进而提高位置保持效率，减少卫星位置保持所需的燃料消耗。5.如权利要求3或4所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤1实现方法为，轨道坐标系RTN定义为：R轴位于轨道平面沿卫星位置矢量向外，N轴垂直于轨道平面并指向卫星瞬时角动量方向，T轴与R轴、N轴构成右手坐标系；对于地球静止轨道卫星，其脉冲推力控制方程为其中，ΔVR、ΔVT和ΔVN分别为轨道径向、切向和法向速度增量；Vs为静止轨道速度；as为标准静止轨道半径；ΔD为经度漂移率改变量；Δλ为经度改变量；Δex和Δey为轨道偏心率改变量；Δix和Δiy为轨道倾角改变量；l为平赤经；由式(1)知，在获得推力器三个方向速度增量后，即能够计算出由推力引起的轨道根数变化量；空间摄动考虑地球非球形引力、日月引力和太阳光压，其中，地球非球形引力引起经度漂移率摄动，日月引力引起轨道倾角摄动，太阳光压引起偏心率摄动。6.如权利要求5所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤2实现方法为，所述的地球静止轨道卫星电推力器包括电推力器和矢量调节机构；所述矢量调节机构为具有四个及以上自由度的矢量调节机构；所述矢量调节机构数量为两个及以上，形成矢量调节机构组；所述电推力器数量与矢量调节机构数量相同，电推力器安装在矢量调节机构末端；所述矢量调节机构安装在卫星背地板上，安装位置需保证矢量调节机构组驱动相应电推力器产生用于位置保持所需的速度增量；通过驱动矢量调节机构运动调整推力器的位置和姿态，正常工作时，推力器指向卫星质心；即完成建立电推力器布局；各推力器推力矢量沿T，N，R三轴的投影系数为其中，kT，kN，kR分别为推力器在轨道坐标系中沿T，N，R三轴的投影系数；dT，dN，dR分别为推力器安装位置在轨道坐标系中沿T，N，R三轴坐标的绝对值。7.如权利要求6所述的一种地球静止轨道卫星电推力器布局优化方法，其特征在于：步骤3实现方法为，单个完整的位保周期是p天，由单个为期q天的轨道确定周期和若干个小控制周期组成，所述的p＞q；每个小控制周期内，南北矢量调节机构各调整一次，南北推力器各开机两次，北侧推力器开机赤经分别在0°～90°和90°～180°区间内，南侧推力器开机赤经分别在180°～270°和270°～360°区间内；对于每个小控周期而言，把期望的轨道倾角、漂移率和偏心率改变量作为等式约束，期望的轨道倾角改变量为其中，Δixd和Δiyd为期望的轨道倾角改变量；kN_NW和kN_SE分别为北侧和南侧推力器的法向系数；lNW1、lNW2、lSE1和lSE2分别为北侧推力器第一次点火、北侧推力器第二次点火、南侧推力器第一次点火和南侧推力器第二次点火时的赤经；ΔvNW1、ΔvNW2、ΔvSE1和ΔvSE2分别为北侧推力器第一次点火、北侧推力器第二次点火、南侧推力器第一次点火和南侧推力器第二次点火产生的速度增量；期望的漂移率改变量为其中，ΔDd为期望的经度漂移率改变量；kT_NW和kT_SE分别为北侧和南侧推力器的切向系数；期望的偏心率改变量为其中，Δexd和Δeyd为期望的偏心率改变量；kR_NW和kR_SE分别为北侧和南侧推力器的径向系数；根据齐式公式，推进剂消耗量和速度增量计算公式为其中，Δmfuel为燃料消耗量；Δv为速度增量；m0为卫星初始质量；Isp为推进剂比冲；η为推进器效率；Fp为推力器额定推力大小；Δt为推力...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙腾，魏钊，史人赫，武宇飞，唐亦帆，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11