卫星在降交点地方时不变的最优轨道转移研究

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1、第33卷第5期计算机仿真2016年5月文章编号：1006—9348(2016)05一Oll6一04卫星在降交点地方时不变的最优轨道转移研究张科。刘满国(西北工业大学航天学院，陕西西安710072)摘要：卫星在运行时要求降交点地方保持不变，而在卫星变轨前后降交点地方时不变情况下要用有限推力燃料达到最优异面轨道转移问题。针对降交点地方时不变、有限推力等难点，利用虚拟目标卫星的概念，建立了轨道转移的相对运动模型，提出了保证降交点位置不变的变轨初始条件；基于极小值原理将燃料最优变轨问题转化为两点边值问题，并采用共轭梯度法进行数值求解。针对变轨时间固定、连续推力情况，以总冲最小、满足各种约束为指标，进行

2、了异面转移轨道的优化设计验证。仿真结果验证了卫星轨道转移策略和算法达到最优转移。关键词：轨道转移；异面轨道；降交点地方时不变；燃料最优；有限推力中圈分类号：V111．8文献标识码：BFuel—OptimalOrbitalTransfer、)I，ithInvariantLocalTimeofDescendingNodeZHANGKe．LIUMan—guo(CollegeofAstronautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，N0127WestYouyiRoad，Xi'anShanxi710072，China)ABSTRACT：Tomeetthedem

3、andofsomespecialspacemissions，theproblemoffuel-optimalfinitethrustnon—co--planarorbitaltransferwithinvariantlocaltimeofdescendingnodeisinvestigatedinthispaper．Todealwiththedim-eultiessuchasinvariantlocaltimeofdescendingnodeandfinitethrust，themathematicalmodelofrelativemotionisestablishedbasedontheco

4、nceptofimaginarytargetsatellite．Theinitialconditionfororbitaltransferisprope嘣ttokeeptheinvariantlocaltimeofdescendingnode．Theoptimalcontrolproblemoffuel-optimalorbitaltransferisthentranslatedintoatwo-pointboundaryvalueproblem，whichisnumericallysolvedbytheconjugategradientmethod．Forfixedtransfertimea

5、ndcontinuousthrust，theoptimaltrajectoryisdesignedwithmanyconstraintstominimizethetotalimpulse．Simulationresultsdemonstratethevalidityoftheorbitaltransferstrategyandalgorithm．KEYWORDS：Orbitaltransfer；Non-coplanarorbits；Invariantlocaltlmeofdescendingnode；Fuel—optimal；Finitethrustl引言实际工程中，有些轨道转移任务要求降交点

6、地方时在变轨前后保持不变。比如，对于太阳同步轨道上的气象卫星而言，为了保证变轨前后都能在基本相同的太阳光照角条件下定时获取同一地区的观测资料，就要求变轨前后的降交点地方时保持不变。此外，变轨过程中，实际推力大小是有限的，传统的冲量假设往往不再成立，因此，必须研究有限推力下的该类轨道转移问题。如何保证变轨前后的降交点地方时不变，则是此类问题的关键和难点。事实上，关于该问题的研究，在公开文献中鲜有报道。但在有限推力变轨方面，近几十年来国内外都进行了大量的研究并取得了有价值的成果¨。5j。总体来讲，目前的有限推力轨道优化求解方法主要有间接法和直接法H碍J。间接法具收稿13期：2015—08—13修回

7、13期：2015—09—04—116一有较好的计算精度，但需要较为准确的、对没有物理意义的共轭状态初值进行猜测；直接法不需要求解两点边值问题，收敛半径大，但求解精度较低，计算量大，控制曲线不光滑。针对具体的变轨问题需要择优选择。在不同坐标系下建立的动力学模型，往往具有不同的问题特征和边界条件。针对轨道转移问题，Cater⋯引入了虚拟目标卫星的概念，通过实现变轨卫星与虚拟目标卫星的软交会以完成轨道转