《倾斜同步轨道卫星交叉点位置演化及保持》由会员分享，可在线阅读，更多相关《倾斜同步轨道卫星交叉点位置演化及保持（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2008 年 12 月 中 国 空 间 科 学 技 术 第 1 期 C HIN ESE SPACE SCIENCE AND TEC HNOLO GY 倾 斜 同 步 轨 道 卫 星 交 叉 点 位 置 演 化 及 保 持朱 民 才 1 ,2 胡 松 杰 2(1 北 京 航 空 航 天 大 学 , 北 京 100191)(2 北 京 航 天 飞 行 控 制 中 心 , 北 京 100094)摘 要 倾 斜 同 步 轨 道 ( IGSO)卫 星 交 叉 点 位 置 在 各 种 轨 道 摄 动 因 素 和 入 轨 偏 差 的 共 同影 响 下 , 其 交 叉 点 位 置 会 在 赤 道 上 发 生
2、漂 移 , 这 种 漂 移 将 导 致 服 务 区 域 的 漂 移 , 从 而 影 响系 统 的 性 能 , 因 此 IGSO 卫 星 需 要 进 行 定 期 的 交 叉 点 位 置 保 持 来 保 证 服 务 的 稳 定 。 对IGSO卫 星 交 叉 点 位 置 的 演 化 和 保 持 问 题 进 行 了 深 入 的 研 究 , 首 先 , 讨 论 了 IGSO 卫 星 交叉 点 位 置 的 演 化 规 律 , 给 出 了 在 地 球 非 球 形 引 力 、 日 月 引 力 摄 动 以 及 卫 星 入 轨 偏 差 作 用 下的 交 叉 点 位 置 的 演 化 公 式 , 并 分 析 了 公
3、式 的 精 度 ; 接 着 , 在 对 交 叉 点 位 置 演 化 规 律 的 分 析基 础 上 , 进 一 步 讨 论 了 IGSO 卫 星 交 叉 点 位 置 保 持 策 略 。关 键 词 倾 斜 同 步 轨 道 位 置 保 持 轨 道 摄 动 导 航 卫 星1 引 言倾 斜 同 步 轨 道 ( IGSO) 是 指 倾 角 不 为 0 的 地 球 同 步 轨 道 , 其 星 下 点 轨 迹 是 一 个 跨 南 北 半 球 的“ 8” 字 , 其 星 下 点 轨 迹 与 赤 道 相 交 于 一 点 , 该 点 常 称 之 为 交 叉 点 。 IGSO 卫 星 的 交 叉 点 位 置 在 轨
4、道摄 动 以 及 卫 星 实 际 工 作 轨 道 与 设 计 轨 道 间 偏 差 (下 文 简 称 入 轨 偏 差 ) 的 影 响 下 , 会 在 赤 道 上 发 生 漂移 , 从 而 导 致 服 务 区 域 的 漂 移 1 - 2 ; 因 此 IGSO 卫 星 需 要 对 交 叉 点 位 置 进 行 定 期 的 保 持 来 保 证 服 务区 域 的 稳 定 ; 但 由 于 目 前 尚 无 在 轨 运 行 的 IGSO 卫 星 , 因 此 对 IGSO 卫 星 的 交 叉 点 位 置 演 化 和 保 持问 题 的 研 究 还 不 是 很 多 。目 前 , 国 际 电 联 对 地 球 静 止 轨
5、 道 ( GEO)卫 星 的 定 点 保 持 有 着 严 格 的 要 求 : GEO 卫 星 只 能 在 其定 点 位 置 011 的 范 围 内 运 动 , 一 旦 超 出 此 范 围 就 必 须 对 卫 星 进 行 位 置 保 持 控 制 , 而 对 IGSO 卫 星尚 没 有 明 确 的 要 求 ; 因 此 只 要 能 满 足 服 务 性 能 的 要 求 , IGSO 卫 星 的 交 叉 点 位 置 漂 移 范 围 (保 持 盒 )可 以 放 的 很 大 。 由 于 GEO 卫 星 保 持 盒 小 , 两 次 位 置 保 持 之 间 的 时 间 间 隔 较 短 (一 般 为 半 个 月
6、) , 因此 在 研 究 GEO 卫 星 点 位 演 化 和 保 持 策 略 时 , 可 将 地 球 重 力 场 田 谐 项 引 起 的 田 谐 共 振 3 进 行 线 性 化处 理 4 - 5 , 而 对 IGSO 卫 星 , 因 其 保 持 盒 可 能 很 大 , 两 次 保 持 之 间 的 时 间 间 隔 会 较 长 , 如 果 对 田 谐共 振 同 样 进 行 线 性 化 处 理 , 那 么 就 需 要 对 这 种 处 理 的 有 效 性 进 行 分 析 。2 IGSO 卫 星 交 叉 点 位 置 演 化IGSO 卫 星 的 交 叉 点 位 置 可 以 用 卫 星 过 升 交 点 时
7、对 应 的 地 理 经 度 来 描 述 , 即 G = G0 + N ( C - e ) T (1)式 中 G为 交 叉 点 位 置 经 度 ; G0为 初 始 时 刻 的 交 叉 点 位 置 经 度 ; C为 升 交 点 赤 经 的 变 化 率 ; e为收 稿 日 期 : 2008206212。 收 修 改 稿 日 期 : 200820820414地 球 自 转 角 速 度 ; T 为 卫 星 过 升 交 点 的 交 点 周 期 ; N 为 卫 星 从 初 始 时 刻 起 运 行 的 周 期 数 (对 IGSO卫 星 可 看 作 是 从 初 始 时 刻 起 算 的 整 天 数 ) 。 这 样
8、 , IGSO 交 叉 点 位 置 变 化 G可 以 描 述 为 G = N ( C - e ) T (2)由 于 IGSO 卫 星 实 际 轨 道 交 叉 点 周 期 在 入 轨 偏 差 以 及 轨 道 摄 动 作 用 下 , 并 不 等 于 地 球 的 自 转 周期 , 而 存 在 一 小 偏 差 , 即 T = 2e+ T , 这 里 , T 为 相 应 的 偏 差 , 有 T = - ne2 e + o( n2 ) (3)式 中 n 为 IGSO 卫 星 实 际 平 均 运 动 角 速 度 与 地 球 自 转 角 速 度 之 间 的 差 异 。于 是 , 式 (2) 可 近 似 写 为
9、 G = ( C + n) 2eN - 2 N (4)去 掉 整 周 项 后 , 便 可 得 描 述 交 叉 点 位 置 经 度 长 期 变 化 的 表 达 式 : G = ( C + n) 2eN (5)式 中 的 C和 n , 主 要 由 轨 道 摄 动 和 入 轨 偏 差 导 致 , 其 中 地 球 非 球 形 引 力 摄 动 和 第 三 体 引 力 摄 动 是主 要 轨 道 摄 动 因 素 。 对 IGSO 卫 星 而 言 , 地 球 扁 率 摄 动 和 日 月 引 力 摄 动 是 导 致 卫 星 的 升 交 点 赤 经 的长 期 变 化 和 平 均 运 动 角 速 度 变 化 的 主
10、 要 摄 动 源 , 即 有 C = 1 + 2 (6) n = 1 + 2 + n0 (7)式 中 1 、 1为 地 球 扁 率 摄 动 导 致 的 升 交 点 赤 经 以 及 卫 星 纬 度 角 的 长 期 变 化 率 ; 2 、 2为 日 月 引 力摄 动 引 起 的 升 交 点 赤 经 以 及 卫 星 纬 度 角 的 长 期 变 化 率 。 文 献 1 和 文 献 3 中 给 出 了 这 些 摄 动 项 的 详细 表 达 式 , 可 以 直 接 引 用 ; n0为 初 始 时 刻 实 际 轨 道 平 均 运 动 角 速 度 和 设 计 平 均 运 动 角 速 度 之 间 的偏 差 。除
11、 了 地 球 扁 率 和 日 月 引 力 引 起 的 IGSO 交 叉 点 位 置 的 长 期 线 性 变 化 之 外 , IGSO 在 地 球 田 谐 摄动 的 影 响 下 将 出 现 轨 道 共 振 现 象 , 其 中 最 主 要 的 是 J 2 ,2项 引 起 , 共 振 将 导 致 轨 道 半 长 轴 的 长 周 期 变化 , 也 即 卫 星 平 均 运 动 角 速 度 的 长 周 期 变 化 , 下 面 来 讨 论 这 种 长 周 期 变 化 。在 J 2 ,2项 的 作 用 下 , 因 轨 道 共 振 导 致 的 半 长 轴 长 周 期 变 化 可 写 为d adt =3 Re J
12、 2 ,2a n (1 + cosi)2 sin2 (G - 2 ,2 ) (8)式 中 a 为 轨 道 半 长 轴 ; n 为 卫 星 平 均 运 动 角 速 度 ; i 为 卫 星 轨 道 倾 角 ; Re为 地 球 赤 道 半 径 ; 2 ,2为J 2 ,2对 应 赤 道 椭 圆 的 对 称 轴 的 经 度 , 有tan2 2 ,2 = S2 ,2C2 ,2(9)式 中 C2 ,2和 S2 ,2项 为 地 球 引 力 场 的 2 度 2 阶 的 球 谐 系 数 。由 Kepler 第 三 定 律 和 式 (8) 可 以 得 到 相 应 的 平 均 运 动 角 速 度 的 变 化 为d n
13、dt = -9 R2e J 2 ,22 a2 n2 (1 + cosi) 2 sin2 (G - 2 ,2 ) (10)于 是 , 根 据 式 (5) 可 得 交 叉 点 经 度 因 轨 道 共 振 所 引 起 的 变 化 为 GJ 2 ,2 = G N2 (11) G = - 9 2 J 2 ,2 R2ea2 (1 + cosi)2 sin2 (G - 2 ,2 ) (12)前 面 提 到 , 入 轨 偏 差 也 将 导 致 卫 星 平 均 运 动 角 速 度 的 变 化 , 其 中 主 要 部 分 为 2 24 中 国 空 间 科 学 技 术 2009 年 2 月 n0 = - 32 na
14、 a0 (13)式 中 a0为 卫 星 工 作 轨 道 平 半 长 轴 和 设 计 轨 道 平 半 长 轴 的 偏 差 。 于 是 , 入 轨 偏 差 引 起 的 IGSO 卫星 交 叉 点 位 置 经 度 漂 移 为 G = n0 2eN (14)综 合 式 (5) 和 式 (11) , 可 得 IGSO 卫 星 交 叉 点 位 置 在 轨 道 摄 动 和 入 轨 偏 差 作 用 下 的 演 化 可 以 描述 为 G = G N + G N2 (15)其 中 G = ( 1 + 2 + 1 + 2 + n0 ) 2e(16)从 式 (15) 可 见 , IGSO 卫 星 的 交 叉 点 位
15、置 的 变 化 包 含 随 时 间 线 性 漂 移 部 分 和 时 间 平 方 的 非 变 化部 分 , 对 由 轨 道 摄 动 引 起 的 线 性 漂 移 部 分 , 可 以 通 过 偏 置 轨 道 半 长 轴 来 予 以 消 除 , 根 据 式 (13) 和式 (16) 可 得 相 应 的 偏 置 量 a = 2 a03e( 1 + 2 + 1 + 2 ) (17)式 中 a0为 二 体 情 形 下 地 球 同 步 轨 道 半 长 轴 。对 非 线 性 部 分 , 在 只 考 虑 J 2 ,2 项 影 响 时 , 由 式 (12) 可 知 , 当 IGSO 卫 星 交 叉 点 经 度 分 别 等 于 2 ,2 、 2 ,2 / 2 和 2 ,2 + 时 有 = 0 , 其 中 在 2 ,2和 2 ,2 + 这 两 个 位 置 上 交 叉 点 位 置 是 稳 定 的 , 而在 2 ,2 / 2 这 两 个 位 置 上 是 不 稳 定 的 。 若 考 虑 更 多 的 田 谐 摄 动 影
