非圆轨道卫星实现共面悬停的方法

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1、tz中国空间科学技术2010年4月ChineseSpaceScienceandTechnology第2期非圆轨道卫星实现共面悬停的方法闫野朱亚文(国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要通过矢量控制，使任务卫星始终在目标卫星的轨道平面内飞行，同时保证“任务卫星～目标卫星一地心”的夹角和两颗卫星间的相对距离保持不变，从而实现共面悬停飞行。重点进行了任务卫星悬停飞行的动力学理论分析，推导了悬停飞行过程中任务卫星相对于目标卫星的径向和切向加速度需求，给出了开环控制方案，对不同悬停任务的能量需求进行了对比分析，最后对悬停飞行过程进行了动力学

2、仿真。关键词共面悬停非圆轨道控制方法能量需求卫星1引言随着航天技术的发展，空间在轨服务(0n-OrbitServicing，OOS)正成为航天技术领域的研究热点。00S就是指在空间利用自动化、机器人等技术完成延长各类空间平台和载荷使用寿命的能力和任务，空间装配、维护和服务是其典型任务手段。在OOS任务执行过程中，经常会使用所谓的“悬停”技术[1-3]，它是指在一段时间内，任务卫星和目标卫星之间的相对距离和相对方位始终保持不变，一般而言，相对距离一般在几十米到十几千米之间。对于对地定向三轴稳定的目标卫星而言，任务卫星若相对目标卫星是静止不动的，这种技术

3、也叫悬停技术。任务卫星进行悬停时一般都需要施加额外的控制力，属于典型的非开普勒轨道。任务卫星使用悬停技术可以实现在目标卫星的固定方位和距离上对目标卫星的凝视性观察，有利于获取重点信息，以确定后继的行动。悬停技术还具有潜在的军事应用价值，是实施空间格斗、空间近距离信息对抗的技术基础之一。目前，国内外有关悬停技术方面的研究工作主要包括相对小天体悬停的研究[1]，任务卫星在圆轨道卫星正下方进行悬停的动力学与控制方法研究∽J，相对圆轨道目标卫星进行任意位置悬停的方法研究[31等。以上研究工作主要是针对圆轨道卫星的悬停进行讨论的，不适用于轨道偏心率不等于0的情

4、况，本文研究的重点是在不限制目标卫星偏心率的情况下，通过轨道控制方法，实现任务卫星在目标卫星轨道面内的任意方向的悬停。2问题描述设当前时刻为t；目标卫星T为偏心率为e的椭圆形轨道，真近点角为厂，地心距为r；任务卫星S在目标卫星的轨道平面内飞行，相对于目标卫星的距离为k；任务卫星相对目标卫星的位置矢量与目标卫星地心矢径垂直方向的夹角为口，口顺时针为正(范围为一180。～180。)。几何关系如图1所示(图中p数值为正)。国家863课题资助(2007AA704304)收稿日期：2009—08—03。收修改稿日期：2009—09—292010年4月中国空间科

5、学技术43任务卫星S的悬停飞行任务可以描述为：在飞行过程中控制S，使在任意时刻t，S相对于T的距离k和方位角0为常值。3动力学分析为考虑问题方便，由于愚《，-。(地球半径)，在相对运动初步分析中，可以认为任务卫星S和目标卫星T所受的地球非球形摄动、日月引力摄动近似相等，即对两颗卫星的运动影响近似相同，在初步分析中可以使用二体问题引力场模型。’5S。‘yR炙远．

6、

7、＼＼—、、———一图1悬停的几何位置关系如图1所示，在目标卫星轨道平面内建立直角坐标系0E—zeYe，其中0t为地心，ze轴指向轨道近地点方向，Ye轴垂直于ze轴，指向

8、，=90。的方向。同时，以目标卫星T质心To为原点建立地心坐标系0e—z。Y。的平移坐标系To--xy。问题的分析分两步走，首先分析任务卫星S在To--xy中的运动，再分析任务卫星S和目标卫星T之间的万有引力差以及在悬停飞行中的补偿方法。3．1任务卫星相对于目标卫星的运动分析卫星S在To--xy坐标系中的位置描述为z=kcos(厂+90。一口)1了=ksin(f+90。一口)f对式(1)求导数，同时考虑到i：=：h／r2式中h为卫星T的动量矩，得到卫星S在Tomxy中的速度为主=--k万hsin(f-I-90。--0)]多=忌笋c。s(厂+9。。_曰

9、)『．对式(3)再次求导数，得到S的加速度互一一是rh-i-cos(f+90。一日)夕+2k芦hsin(厂+90。--0)≯1歹一一点rhI-sin(f+90。-o))---2k了hc。s(厂+90。--0)≯f由航天器轨道知识知道，目标卫星T的径向速度珥和切向速度研可以写为篆≥}代入式(4)有；=五≯h[一研c。S口+2珥sim]1岁=正≯h[一研sim一2口，c。融]『-其中2(1)(2)(3)(4)(5)(6)44中国空间科学技术2010年4月口=f-t-90。一0将加速度分解到S卫星指向和垂直于T卫星的两个方向m。和n。上，设在两个方向上的投

10、影分量分别为口。，和口。。，如图2所示。图中p以T卫星的z轴为基准逆时针为正(p数值为负)。可以得到：‰一z