嫦娥一号-卫星的调相轨道设计

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1、18中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2010年2月第1期“嫦娥一号’’卫星的调相轨道设计杨维廉(中国空间技术研究院，北京100094)摘要中国第一颗月球探测卫星“嫦娥一号”的飞行轨道的设计中采用了调相轨道，在“长征三号甲”运载火箭提供的超地球同步转移轨道与地月转移轨道之间增加了一段由周期为24h和48h轨道构成的环绕地球飞行的调相轨道。为了将几务不同的轨道精确地拼接起来，必须考虑地球引力场对轨道的摄动影响。克服这个难点的做法是基于经典的轨道摄动理论，先将整段调相轨道设计为考虑地球引力场-，2项影响的平轨道，在与

2、运载的发射轨道拼接时，先将运载的包括短周期摄动的瞬时轨道转换为平轨道，在与地月转移轨道拼接时将调相轨道转换成拼接点的瞬时轨道。由于采用了平轨道的处理方法使得轨道控制策略的表述十分简明并易于操作。关键词月球探测地月转移轨道调相轨道轨道摄动卫星1引言“嫦娥一号”(CE一1)卫星飞行轨道中包含了调相轨道段，它将运载火箭“长征三号甲”提供的超GTO(地球同步转移轨道)与地月转移轨道连接起来。超GT0的近地点200km，远地点51000km，周期约16h。卫星在调相轨道段利用自身的推进系统作四次轨道机动，将卫星送入地月转移轨道。卫星与运载分离后在超GTO上运行三圈，在

3、第二个远地点作第一次小的轨道机动，将近地点提高到600km。后三次都是大的近地点机动，先将轨道周期变成24h，运行三圈后变成48h，最后一次机动将卫星送入飞行时间114h的地月转移轨道LlJ。在探月飞行中采用调相轨道的做法，在20世纪90年代已经出现，它不仅可以在运载的载荷能力不够时起助推作用，还可以减小转移轨道中途修正所需的速度增量以及扩大发射窗口[2_4]。在具体设计调相轨道时要解决把几条不同的轨道精确地拼接起来的问题，其核心是如何处理轨道摄动问题。在“嫦娥一号”卫星飞行轨道设计中我们找到一个简便而有效的解决办法。这个方法分两步走，第一步先不考虑轨道摄动

4、的影响，认为所有的轨道都是不变的椭圆轨道，它们都处在同一个轨道平面内；第二步利用经典的轨道摄动理论分析解，通过轨道的平根数进行更精确的拼接。2忽略摄动影响的调相轨道设计因为飞行过程的所有轨道机动都是在近地点或远地点进行，如果不考虑摄动的影响，飞行过程中所涉及的所有椭圆轨道的倾角、升交点赤经n和近地点幅角叫都可以取相同的值。这就使得问题大大地简化。收稿日期：2009—06—26。收修改稿日期：2009—08—03!!!!笙!旦生旦窒塑型兰堇查12由于“长征三号甲”运载火箭最初主要是针对发射地球同步轨道来设计的，星箭分离后的轨道近地点是在赤道附近，也就是近地点幅

5、角是180。左右，因此地月转移轨道的近地点幅角变化范围也受到很大的限制，发射月球卫星的日期也要根据这个限制范围来选择。在发射日期选择后再任选该El的某个时刻Tt。(例如中午12点整)作为近地点时刻来解算出一条地月转移轨道。这条轨道的倾角31。、近地点高度600km是预先选定的，升交点赤经Q和近地点幅角cu是解算出来的。超GT0的6个轨道参数中，近地点高度、远地点高度(对应半长轴和偏心率)和轨道倾角是由运载能力及发射方式确定的，是轨道设计的输入条件；近地点幅角也可以根据卫星轨道的要求来调节；升交点的位置是相对于地球固连坐标系表述的，它是由发射轨道本身确定，不受

6、卫星轨道的约束，卫星轨道升交点赤经的要求可以通过发射时间的变化来满足。因此在地月转移轨道确定后，运载方的丁作是对超GTO进行调节使近地点幅角满足卫星轨道的要求。在超GTO确定后，就可以把整条飞行轨道拼接起来，先计算出星箭分离的时刻T。：用P。来表示星箭分离时的卫星轨道周期，P：表示远地点机动后的周期，P。。表示24h轨道的周期，P。。表示48h轨道的周期，于是Ts=TL一1．5(P1+P2)一3P24一P48(1)需要注意的是，运载方所给的轨道参数是相对于地球固连坐标系，升交点位置是用地理经度表示的，它与地球的旋转无关。如果将它作为Ts时刻的瞬时轨道则需将升

7、交点位置转换成对应时刻的赤经a。在一般情况下它是与所要求的升交点赤经D是不同的，于是就需要对分离时刻Ts进行修正，也就是修正转移轨道近地点时刻n。如果经度和时刻的单位分别是度和小时，则时刻的修正量应为△T=(0一口)／15(2)得到这个修正量以后就要重新解算T，。一T。+△丁时刻的一条新的地月转移轨道，然后基于这条新轨道再重复上述的过程进行迭代直到满足要求。3考虑，：摄动的轨道模型根据经典的轨道摄动理论，如果只考虑地球引力场中的运动，卫星在任意时刻的瞬时(密切)轨道根数可以表示为口=口’+6口(口。，e’，i’，0’，∞。，M’)e一---e’+ae(口’，

8、F。，i’，0’，埘’，M’)i=f。+ai(a。，