侦查任务论文：侦察任务响应与轨道策划透析

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作者：付晓锋 吴美平 唐毅 单位：国防科学技术大学机电工程与自动化学院

近地快速覆盖轨道的运行轨道为低轨圆轨道，其轨道半长轴记为a0，β为发射轨道的地心角，θ为发射速度倾角（火箭飞行方向与水平线的夹角），O为地心，Re为地球半径近地快速覆盖轨道的发射入轨既要满足快速性的要求又要尽量节省能量。卫星发射方式包括共面发射和非共面发射，由于非共面发射比共面发射需要消耗更多的能量，近地快速覆盖轨道采用共面发射。若发射轨道在入轨点与运行轨道相切，该轨道称为“单共切”轨道。当发射速度倾角θ给定时，单共切轨道为最佳发射轨道。若发射轨道既与地球在发射点相切，又与运行轨道在入轨点相切，该轨道称为“双共切”轨道。双共切轨道的能耗小于单共切轨道，但是其发射轨道的地心角β较大，从发射到入轨需要飞行半个椭圆，不符合快速响应的要求。用单共切轨道发射低轨卫星时，即使β较小，其消耗的能量也与双共切轨道相差不大［14］。因此，近地快速覆盖轨道采用共面发射，单共切轨道入轨，有β＜180°。发射轨道与地球相交于发射点，与运行轨道相切于入轨点，该点为发射轨道远地点。发射点在发射轨道上的真近点角fL＝π－β，入轨点在发射轨道上的真近点角fI＝π。卫星的发射入轨时间tin为实际火箭离地升空到卫星进入预定轨道的时间［7］，有tin＝tI－tL（1）式中，tL为卫星发射时刻；tI为卫星入轨时刻；tin是卫星轨道高度h和发射轨道地心角β的增函数。1．2　数据回收站布设、轨道响应时间与数据返回时间通过布设数据回收站，可使近地快速覆盖轨道上的卫星在一个或几个轨道周期内完成信息采集和数据回传。设发射场L的地心经纬度为（λL，φL）。在共面发射条件下，无论轨道倾角如何变化，发射场L总是位于卫星轨道面内。卫星入轨后必然飞越点L的天顶，记点L天顶方向地心距为a0的点为P，与P关于地心O对称的点为P′，卫星轨道经过点P和P′。卫星经过点P时的星下点为Pk（k＝1，2，…，k为卫星入轨后经过点P的次数），其纬度为φL，点间经度差为一个轨道周期地球转过的角度；卫星经过点P′时的星下点为P′k（k＝1，2，…），其纬度为－φL，点间经度差与Pk相同，如图2所示。图中给出了从点L发射的几条倾角不同的近地快速覆盖轨道的星下点轨迹，其星下点轨迹都经过Pk和P′k（k＝1，2，…）。因此，可在点Pk或P′k布设数据回收站以实现快速数据回传［7］。　发射场选择与发射轨道约束图3给出了我国境内的4个航天发射场［17］，以LA，LB，LC和LD表示，它们分别位于我国境内的东、南、西、北4个方位。由于我国的领土特点，当k＝1时，位于南部和西部的发射场LB和LC无法在境内建立数据回收站；当k＝2时，4个发射场在境内都没有满足要求的数据回收站。因此，近地快速覆盖轨道应选择位于东部和北部的发射场LA和LD，且在卫星第一次经过点P的时候（k＝1）进行数据回传。卫星在发射入轨之后才能工作，因此以发射点L为中心，地心锥半角为β的区域是近地快速覆盖轨道的受限观测区。发射轨道地心角β越大，受限观测区越大，。由图可知，当β＝10°时，我国大部分区域位于受限观测区外；当β＝20°时，我国和周边大部分区域都位于受限观测区内。设地面目标G的地心经纬度为（λG，φG）。当k＝1时，若G位于受限观测区外，有两条近地快速覆盖轨道可覆盖地面目标，其中一条在升段发射，有uL∈（－π／2，π／2］；另一条在降段发射，有uL∈（π／2，3π／2］。若G位于受限观测区内，则只有一条近地快速覆盖轨道能覆盖地面目标：若φG＞φL，只能在降段发射；若φG≤φL，只能在升段发射，即（式略）发射场的发射方位角受到发射场安全区和测控网配置等因素的限制。受限观测区内地面目标的近地快速覆盖轨道只有唯一解，若该解的发射方位角不满足发射场的发射方位角约束要求，则采用近地快速覆盖轨道无法覆盖受限观测区内的地面目标。我国有多个航天发射场，可以根据地面目标的位置选择发射场，以避开受限观测区，但几个待选发射场受限观测区的重叠区域仍可能无法采用近地快速覆盖轨道进行快速观测，如图3中发射场LA和LD受限观测区的重叠区域。因此，应尽量减小发射场受限观测区的重叠区域面积，即减小发射轨道的地心角β。

在共面发射条件下，卫星发射轨道和运行轨道的轨道倾角i和升交点经度λN相等。发射轨道为椭圆轨道，采用发射时刻tL的｛al，el，i，λN，ωl，uL｝描述；运行轨道为圆轨道，采用入轨时刻tI的｛a0，i，λN，uI｝描述。其中，el为发射轨道偏心率，ωl为发射轨道近地点角距。在给定运行轨道半长轴a0和发射轨道地心角β的条件下，由发射场L和地面目标G的位置可求解发射轨道和运行轨道的轨道根数。文献［19］详细论述了基于星下点设计卫星轨道的方法，此处不再给出近地快速覆盖轨道的求解过程。在求解卫星轨道根数和侦察任务响应时间时，应注意以下4点：（1）近地快速覆盖轨道高度较低，且发射轨道地心角β较小，可忽略发射轨道，由发射点和地面目标位置直接估算运行轨道的初值。（2）发射轨道与运行轨道相切于入轨点，其近地点角距ωl为ωl＝uL＋β－π（13）

（3）在给定发射场L和地面目标点G位置的条件下，近地快速覆盖轨道有两个解，其uL的取值分别位于区间（－π／2，π／2］和（π／2，3π／2］，对应卫星在升段和降段发射。在求解轨道过程中应根据发射场、地面目标点位置和受限观测区选择uL的取值。（4）由发射点和地面目标的地心经纬度只能求解得到近地快速覆盖轨道的升交点经度λN。根据光照条件求解侦察时间窗口和发射窗口，选定发射时刻tL后，可求解其升交点赤经Ω。以汶川地震和玉树地震为例，采用近地快速覆盖轨道对灾后震区进行快速侦察，以说明卫星轨道设计过程中需注意的问题。协调世界时2008年5月12日06：28（北京时间5月12日14：28）和2010年4月13日23：49（北京时间4月14日07：49）在四川汶川和青海玉树先后发生强地震，分别以汶川和玉树震区为地面目标进行快速侦察并快速获取震区信息以辅助抗震救灾。汶川震区以W表示，其大地经纬度为（103．4°E，31．0°N）［20］，对应的地心经纬度为（103．4°E，30．9°N）；玉树震区以Y表示，其大地经纬度为（96．6°E，33．2°N）［21］，对应的地心经纬度为（96．6°E，33．1°N）。选择我国境内东部某发射场L发射侦察卫星，其地心经纬度为（112．6°E，37．3°N）。选择近地快速覆盖轨道的运行轨道高度h＝300km［7］，假设运载发射能力允许的最小发射轨道地心角βm＝10°。为达到最快的响应速度，选择发射轨道的地心角β＝10°。由点L与点W的位置矢量可求解两点间地心角γ1＝9．94°，即点W位于发射场L的受限观测区内。由于点W的地心纬度小于点L的地心纬度，即φW＝30．9°＜φL＝37．3°，覆盖地面目标W的近地快速覆盖轨道只能在升段入轨。点L与点Y间的地心角γ2＝13．71°，点Y位于发射场L的受限观测区外，覆盖地面目标点Y的近地快速覆盖轨道既可在升段入轨，采用近地快速覆盖轨道进行快速侦察时，发射入轨时间、轨道响应时间和数据返回时间之和约为1个轨道周期，不同轨道执行侦察任务的响应时间差别源于发射窗口引起的发射等待时间不同。近地快速覆盖轨道σaW，σaY和σdY均可使侦察卫星在数小时内获取给定目标区域的信息并完成数据回传；完成首次覆盖和数据回传后，卫星每天覆盖震区2次。

传统空间任务分析和轨道设计多着眼于卫星的长期覆盖特性和持续覆盖能力。本文以空间快速响应为背景，提出以任务响应时间为指标设计侦察任务和卫星轨道。近地快速覆盖轨道可在1个轨道周期内完成发射、入轨、信息采集和数据回传，具有很强的快速响应能力。针对我国航天发射场分布情况和领土特点给出了数据回收站的布设原则和发射场的选取方法，讨论了受限观测区对发射轨道的约束，分析了光照条件对轨道发射窗口的约束，最后以汶川和玉树地震为例进行仿真计算，给出了快速侦察任务的响应时间。为满足快速数据回传要求，应选择位于我国境内东部或北部的发射场，数据回收站布设于发射场西侧，同时尽量减小发射轨道的地心角。在具体任务中，应选择与地面目标距离较远的发射场，尽量避免地面目标位于发射场的受限观测区之内的情形。若地面目标位于受限观测区外，有2条满足条件的近地快速覆盖轨道，否则仅有1条。在实际应用中，还应结合发射场的发射方位角约束对求解得到的近地快速覆盖轨道进行筛选。