地球靜止衛星推力器故障工況下軌道位置保持方法與流程

2023-09-11 19:00:45 2

本發明涉及一種地球靜止衛星推力器故障工況下軌道位置保持方法，特別涉及一種採用電推力器的地球靜止衛星軌道位置保持設計方法，適用於推力器故障工況下的地球靜止衛星軌道位置保持任務，屬於航空航天
技術領域：
。
背景技術：
：地球靜止衛星是繞地球飛行的軌道傾角為0度、軌道偏心率為0、飛行方向與地球自轉方向相同且飛行周期與地球自轉周期相等的一類衛星，在通信傳輸、電視廣播和氣象預報等諸多領域具有重要的應用價值。地球靜止衛星在軌運行時，由於受到攝動力影響，會逐漸漂移並偏離標稱運行軌道，導致其無法正常工作。因此，地球靜止衛星需要進行軌道位置保持以保證工作性能。電推力器因具有比衝高的特點，用於軌道位置保持任務可有效降低地球靜止衛星的燃料消耗、提高衛星的有效載荷比並增加衛星的使用壽命。然而，受太空環境或衛星元器件性能等因素影響，電推力器可能發生故障。針對採用電推力器的地球靜止衛星，如何在推力器故障工況下進行軌道位置保持且達到預期的位置保持效果，是當前科技人員關注的熱點問題之一。在已發展的採用電推力器的地球靜止衛星軌道位置保持方法中，在先技術[1](BernardMAnzel.MethodforSatelliteStationKeeping[P].US5020746A,1989)，針對地球靜止衛星軌道位置保持任務，提出了一種採用兩個電推力器進行軌道位置保持的方法。兩個推力器均安裝在衛星的背地板上，軌道位置保持期間分別在赤經RA為90度和270度點火。採用該方法的推力器布局含有兩個正常工作的電推力器和一個備份的電推力器，當正常工作的兩個電推力器任意一個發生故障時，備份電推力器工作以繼續進行軌道位置保持任務。該方法的優點是衛星可以同時進行南北和東西位置保持，簡化軌道位置保持任務，缺點是受推力器布局限制，備份的推力器不能完全替代發生故障的推力器，因而故障工況下難以保證東西軌道位置保持和南北軌道位置保持的控制精度。在先技術[2](BernardMAnzel.MethodandApparatusforaSatelliteStationKeeping[P].US5443231A,1993)，針對地球靜止衛星軌道位置保持問題，給出了一種基於四個電推力器布局的軌道位置保持方法。在每個軌道周期內，四個電推力器在赤經RA為90度和270度各點火一次，同時完成南北和東西位置保持任務。當任意一個推力器發生故障時，與該推力器在同一條對角線上的推力器停止工作，軌道位置保持任務由另外兩個電推力器繼續執行並在赤經0度或180度增加第三點火區域。該方法的優點是衛星不需要備份電推力器也可在單一電推力器故障工況下完成軌道位置保持任務，缺點是故障工況下在赤經0度或180度增加第三點火區域不能有效抑制軌道偏心率漂移，最終導致位置保持控制精度不能滿足任務要求。技術實現要素：本發明的目的是為了解決四個推力器中任意推力器發生故障的情況下無法保證衛星位置保持控制精度的問題，提供一種地球靜止衛星推力器故障工況下軌道位置保持方法。本發明的目的是通過下述技術方案實現的。地球靜止衛星推力器故障工況下軌道位置保持方法，具體步驟如下：步驟一、本發明採用四個電推力器的布局，四個推力器分別為NW、NE、SW、SE。決定推力器推力方向的安裝角為θ和α。當任意推力器發生故障時，當前軌道周期直至衛星運行到赤經0度，推力器不再進行位置保持任務。從下一軌道周期的赤經0度重新開始軌道位置保持，推力器在升交點、第三區域以及降交點處點火。步驟二、計算下一軌道周期的軌道傾角漂移量和經度漂移量；將所述下一軌道周期內預測的軌道傾角iP和經度λP與任務要求的目標值作差，計算出傾角漂移量Δi和經度漂移量Δλ，所述傾角漂移量Δi和經度漂移量Δλ的計算公式為：Δi=iP-iTΔλ=λP-λT]]>其中：所述iT和所述λT分別為任務要求的軌道傾角及經度目標值；步驟三、計算衛星進行位置保持需要提供的速度增量；根據所述軌道傾角漂移量和所述經度漂移量計算衛星進行位置保持需要提供的法向速度增量ΔVI和切向速度增量ΔVT，所述法向速度增量ΔVI和切向速度增量ΔVT的計算公式為：其中：所述VS為衛星在地球靜止軌道上的飛行速度；步驟四、計算第三點火區域參數；根據電推力器布局，將所述法向速度增量ΔVI和所述切向速度增量ΔVT分配至兩個推力器上，其分配公式為：ΔVT1=12(ΔVItanθtanα+ΔVT)ΔVT2=12(ΔVItanθtanα-ΔVT)]]>其中：所述ΔVT1為北面電推力器提供的切向速度增量，所述ΔVT2為南面電推力器提供的切向速度增量；計算切向速度增量對軌道偏心率造成的偏心率變化量，其中，所述偏心率變化量的計算公式為：ΔeX=2(ΔVT1+ΔVT2)VSΔeY=(ΔVT1-ΔVT2)cot(α)VS]]>其中：所述ΔeX和所述ΔeY分別為所述偏心率變化量在地心慣性坐標系中X和Y方向的分量；根據所述偏心率變化量，計算第三點火區域參數，即第三點火區域與赤經0度或180度的夾角γ，以及第三點火區域內每個電推力器需要提供的速度增量ΔVR：γ=arctan(ΔeYΔeX)ΔVR=VS2ΔeX2+ΔeY2]]>步驟五、根據所述每個電推力器需要提供的速度增量計算所述每個電推力器在升交點、第三點火區域和降交點處的點火時長，所述點火時長T的計算公式為：T=2ωEarcsinωE2(mΔViFcosθcosα)]]>其中：所述ωE為地球自轉角速度，所述m為地球靜止衛星質量，所述ΔVi為電推力在不同點火區域需要提供的速度增量，所述F為電推力器推力大小。有益效果本發明提供了一種地球靜止衛星推力器故障工況下軌道位置保持方法。與原有軌道位置保持方法相比，在本發明中推力器故障工況下正常點火區域在升、降交點處，第三點火區域增加了位置參數γ，該角度由軌道偏心率漂移方向計算而得，因而本發明所述位置保持方法可有效抑制軌道偏心率漂移，保證軌道位置保持控制精度。附圖說明圖1是本發明實施例提供的四個電推力器布局示意圖；圖2是本發明實施例提供的第一類故障工況電推力器點火區域示意圖；圖3是本發明實施例提供的第二類故障工況電推力器點火區域示意圖；圖4是本發明實施例提供的第一類故障工況下緯度保持效果示意圖；圖5是本發明實施例提供的第一類故障工況下經度保持效果示意圖；圖6是本發明實施例提供的第一類故障工況下軌道傾角保持效果示意圖；圖7是本發明實施例提供的第一類故障工況下偏心率保持效果示意圖；圖8是本發明實施例提供的地球靜止衛星推力器故障工況下軌道位置保持方法流程圖。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述說明如圖1所示，基於徑切法坐標系的四個電推力器布局示意圖。四個推力器對稱安裝在衛星背地板上，推力矢量指向衛星質心。四個電推力器分別為北面的NW、NE和南面的SW、SE。每個推力器都配有一個推力矢量改變裝置，控制推力方向穿過衛星質心。推力器NW和NE的推力矢量構成一個平面，推力器SW和SE的推力矢量構成另一個平面，衛星南北軸到這兩個平面的夾角均為θ。電推力器初始位置在北—質心—地球中心的平面內，之後會圍繞南北軸旋轉，NW和SW向西旋轉，NE和SE向東旋轉，旋轉角為α。將α和θ定義為推力器布局的安裝角。本發明的設計原理為：將故障工況劃分為兩類：(1)推力器NE或SW發生故障；(2)推力器NW或SE發生故障。若發生第一類故障工況，軌道位置保持任務將由NW和SE電推力器共同執行。若發生第二類故障工況，軌道位置保持任務將由NE和SW電推力器共同執行。首先將未來一天預測的軌道傾角和經度與任務要求的目標值作差，計算出傾角漂移量和經度漂移量；然後，根據上述兩種軌道元素漂移量計算衛星進行軌道位置保持需要提供的速度增量；最後根據速度增量計算兩個電推力器的點火時長並確定點火區域。實施例1針對第一類故障工況，電推力器有三個點火區域，分別是NW正常點火區域、SE正常點火區域和NW、SE相繼點火的第三點火區域。在地心慣性坐標系下，電推力器工作區域示意圖如圖2所示。電推力器NW正常點火區域在軌道升交點位置，電推力器SE正常工作區域在軌道降交點位置，第三點火區域與赤經180度的夾角為γ。下面以地球靜止衛星在定點經度東經120度且NE推力器發生故障為例，結合附圖對本發明的實施方式作詳細說明。衛星質量為2000千克，推力器推力為200豪牛，電推力器安裝角θ和α分別為40度和18度。任務要求的軌道傾角目標值為0.01度，經度目標值為東經120度，軌道位置保持控制精度為±0.05度。本實施例的具體步驟如下：步驟一、計算下一軌道周期的軌道傾角漂移量和經度漂移量將下一軌道周期內預測的軌道傾角iP和經度λp與任務要求的目標值作差，計算出傾角漂移量Δi和經度漂移量Δλ：Δi=iP-iTΔλ=λP-λT]]>其中：任務要求的軌道傾角目標值iT和經度目標值λF分別為0.01度和東經120度。步驟二、計算衛星進行位置保持需要提供的速度增量根據軌道元素漂移量計算衛星進行位置保持需要提供的法向速度增量ΔVI和切向速度增量ΔVT：其中：地球靜止軌道速度VS為3074.7米/秒。步驟三、計算第三點火區域參數根據電推力器布局，將法向速度增量ΔVI和切向速度增量ΔVT分配至兩個推力器上：ΔVT1=12(ΔVItanθtanα+ΔVT)ΔVT2=12(ΔVItanθtanα-ΔVT)]]>其中：ΔVT1為電推力器NW提供的切向速度增量，ΔVT2為電推力器SE提供的切向速度增量。切向速度增量對軌道偏心率造成的影響由下式計算：ΔeX=2(ΔVT1+ΔVT2)VSΔeY=(ΔVT1-ΔVT2)cot(α)VS]]>其中：ΔeX和ΔeY分別為偏心率變化量在地心慣性坐標系中X和Y方向的分量。根據偏心率變化量，計算第三點火區域參數，即第三點火區域與赤經180度的夾角γ和第三點火區域內每個電推力器需要提供的速度增量ΔVR：γ=arctan(ΔeYΔeX)ΔVR=VS2ΔeX2+ΔeY2]]>步驟四、最後根據各電推力器需要提供的速度增量計算電推力器在各點火區域內的點火時長T=2ωEarcsinωE2(mΔViFcosθcosα)]]>其中：地球自轉角速度ωE為0.00417度/秒，衛星質量m為2000千克，電推力器推力大小F為200豪牛。步驟五、完成當前軌道周期的位置保持任務後，預測下一軌道周期內的軌道傾角和經度漂移量，然後重複步驟一至步驟四繼續軌道位置保持任務。地球靜止衛星在定點經度東經120度且NE推力器發生故障下的位置保持效果如圖4至圖7所示。如圖所示，地球靜止衛星的緯度有效控制在±0.01度以內，經度控制在119.99度～120.04度以內，軌道傾角被有效控制在控制目標0.01度附近，偏心率周期變化並被有效抑制在2.5×10-4以下。實施例2針對第二類故障工況，電推力器有三個點火區域，分別是NE正常點火區域、SW正常點火區域和NE、SW相繼點火的第三點火區域。在地心慣性坐標系下，電推力器工作區域示意圖如圖3所示。電推力器NE正常點火區域在軌道升交點位置，電推力器SW正常工作區域在軌道降交點位置，第三點火區域與赤經0度的夾角為γ。此類故障工況下電推力器點火時長的計算方法與第一類情況原理相同。軌道位置保持具體步驟為：步驟一、計算下一軌道周期的軌道傾角漂移量和經度漂移量將下一軌道周期內預測的軌道傾角iP和經度λP與任務要求的目標值作差，計算出傾角漂移量Δi和經度漂移量Δλ：Δi=ip-iTΔλ=λP-λT]]>其中：iT和λT分別為任務要求的軌道傾角及經度目標值。步驟二、計算衛星進行位置保持需要提供的速度增量根據軌道元素漂移量計算衛星進行位置保持需要提供的法向速度增量ΔVI和切向速度增量ΔVT：其中：VS為衛星在地球靜止軌道上的飛行速度。步驟三、計算第三點火區域參數根據電推力器布局，將法向速度增量ΔVI和切向速度增量ΔVT分配至兩個推力器上：ΔVT1=12(ΔVItanθtanα+ΔVT)ΔVT2=12(ΔVItanθtanα-ΔVT)]]>其中：ΔVT1為電推力器NE提供的切向速度增量，ΔVT2為電推力器SW提供的切向速度增量。切向速度增量對軌道偏心率造成的影響由下式計算：ΔeX=2(ΔVT1+ΔVT2)VSΔeY=(ΔVT1-ΔVT2)cot(α)VS]]>其中：ΔeX和ΔeY分別為偏心率變化量在地心慣性坐標系中X和Y方向的分量。根據偏心率變化量，計算第三點火區域參數，即第三點火區域與赤經0度的夾角γ和第三點火區域內每個電推力器需要提供的速度增量ΔVR：γ=arctan(ΔeYΔeX)ΔVR=VS2ΔeX2+ΔeY2]]>步驟四、最後根據各電推力器需要提供的速度增量計算電推力器在各點火區域內的點火時長T=2ωEarcsinωE2(mΔViFcosθcosα)]]>其中：ωE為地球自轉角速度，m為地球靜止衛星質量，ΔVi為電推力在不同點火區域需要提供的速度增量，F為電推力器推力大小。步驟五、完成當前軌道周期的位置保持任務後，預測下一軌道周期內的軌道傾角和經度漂移量，然後重複步驟一至步驟四繼續軌道位置保持任務。其中，本發明實施例所提供的地球靜止衛星推力器故障工況下軌道位置保持方法流程圖參照圖8所示。需要說明的是：本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬體來完成，也可以通過程序來指令相關的硬體完成，所述的程序可以存儲於一種計算機可讀存儲介質中，上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁碟或光碟等。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp