轨道卫星论文：轨道卫星中途修改探索

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作者：胡少春 孙承启 刘一武 单位：北京控制工程研究所 空间智能控制技术重点实验室

误差源和摄动因素

探测器实际到达的转移轨道终点与期望的晕轨道入轨点往往存在偏差．本文考虑的误差源主要包括转移轨道初始发射误差、导航误差和中途修正引入的误差，摄动因素主要包括地球引力摄动、月球引力摄动和太阳光压摄动．误差源由于存在导航误差(E1)和转移轨道初始发射误差(E2)，将会使得探测器的实际飞行轨道偏离标称轨道，因此必须进行中途修正，而中途修正又会引入修正速度误差(E3)．假定几个误差源均服从Gauss分布，均值都为零，方差各为(误差源方差取值与文献［4］相同，且增加了初始发射位置误差和时间误差):E1:位置偏差为10km(1σ)，速度偏差为0．01m/s(1σ);E2:位置偏差为5．6km(3σ)，时间偏差为1s(3σ)，速度大小偏差为0．36%(3σ)，速度方向偏差为1．50°(3σ);E3:速度大小偏差为3．00%(3σ)，速度方向偏差为2．06°(3σ)．摄动因素在实际转移轨道修正过程中，除了上述3种误差源外，还应考虑地球非球形摄动、月球引力摄动以及太阳光压摄动等摄动因素．(1)地球引力摄动地球引力摄动中主要考虑J2项摄动的影响．仿真表明，J2项摄动对转移轨道影响较大．这主要是由于当卫星进入转移轨道后，需要在地球附近运行一段时间，J2项摄动将影响地球附近的转移轨道，由于转移轨道的敏感性，在晕轨道入轨点处将产生较大偏差．(2)月球引力摄动由于圆型限制性三体模型(CRTBP)将地球和月球看作位于地月公共质心的质点来处理，因此与实际模型有较大差异．仿真表明，月球引力摄动对转移轨道影响很大，将会大大增加修正量，并带来很大的末端误差．然而，若直接调整转移轨道入轨机动，使得受月球引力摄动影响的转移轨道能够到达晕轨道入轨点附近，则可大大降低中途修正代价．这样做尽管可以降低修正量，但末端误差仍然很大，对晕轨道的轨道保持造成负担．因此，适宜在标称转移轨道设计中考虑月球引力摄动．(3)太阳光压摄动仿真表明，太阳光压摄动对地球影响球内的转移轨道段影响非常小，而对晕轨道附近的转移轨道段影响较大，且卫星在晕轨道附近运行时间越长，所产生的位置误差越大．因此，太阳光压摄动对从地球停泊轨道到晕轨道近地点入轨的转移轨道影响很小，而对晕轨道远地点入轨的转移轨道影响较大，这主要是由于和近地点入轨相比，远地点入轨需要在晕轨道附近运行更长时间．

中途修正策略

本节主要采用分段式修正策略来进行转移轨道的中途修正研究，即当探测器到达预定的修正时刻，根据当前的测量值计算所需的修正量．中途修正方案确定中途最优修正次数和最佳修正时刻是中途制导策略问题．应用最广的是间距比(spacingratio)策略［5］，间距比策略的思想是尽快进行首次修正，以后每次修正时间间隔与前一时间间隔之比为常数，直至误差满足要求．在平动点转移轨道中途修正中，有文献根据转移轨道的几何特征来选取修正点［3-4］，也有根据以往平动点任务的中途修正经验来确定修正序列［6］．由向晕轨道的转移时间较长，必须进行多次中途修正机动(TCM)．前期的研究表明，为了减少中途修正速度增量，宜尽早进行首次修正．但是，如果第一次修正时刻太早，残余误差被更多地放大，会加重以后的修正任务．另外，进入转移轨道后，地面对探测器的跟踪定轨还需要一段时间，因此第一次修正时刻不能太早．综合考虑，选择第一次修正时刻为发射后1天末．类似地，由于第一次修正机动主要用来修正初始发射误差，所需的修正量很大，将产生较大的中途修正执行误差，第二次修正时刻太早，残余误差会被更多地放大，因此，第二次修正时刻一般选择在发射后20天～30天末．其他修正时刻根据大量仿真得到．为了研究修正时刻和修正次数对修正量和末端状态误差的影响，以晕轨道近地点入轨的转移轨道为例，制定如下2种修正方案，4MonteCarlo仿真及分析MonteCarlo(蒙特－卡罗)方法，又称为随机抽样模拟方法或统计试验方法，其基本思想是通过对模型或过程的观察、抽样，利用统计信息给出解的近似值，而解的精度可用估计值的标准误差等形式表示．由于导致轨道产生偏差的因素很多，各种误差对轨道的影响程度不一，为了研究各种误差源和摄动因素对中途修正代价和入轨精度的综合影响，采用MonteCarlo方法仿真研究给出的中途修正方案和修正策略的效果．未考虑摄动因素采用3．1节给出的两种中途修正方案，利用分段式修正策略，按照2．1节给出的误差源进行1000次仿真，考虑地球引力摄动考虑地球引力摄动后，采用同样的修正方案、修正策略以及误差源，进行1000次仿真。

结论

以及转移轨道的中途修正问题．首先进行了初始发射误差的灵敏度分析，研究了存在初始发射位置误差和速度误差时，修正时刻与修正量之间的关系以及误差量与修正量之间的关系;然后分析了中途修正过程中需要考虑的转移轨道初始发射误差、导航误差和中途修正引入的执行误差等几种误差源以及地球引力摄动、月球引力摄动和太阳光压摄动等摄动因素;给出了分段式中途修正策略．以晕轨道近地点入轨的转移轨道为例，分析了几种误差源和摄动因素对转移轨道修正量和修正效果的影响，最后经MonteCarlo模拟给出了修正结果的统计信息．