嫦娥一号卫星的地月转移变轨控制

空间控制技术与应用

Aerospace Con tro l and Applicati o n 第34卷 第1期2008年2月

嫦娥一号卫星的地月转移变轨控制

宗 红,王淑一,韩 冬,王大轶,李铁寿,张洪华,黄江川

(北京控制工程研究所,北京100080)

摘 要:文章阐述了嫦娥一号卫星地月转移阶段(从星箭分离到进入使命轨道)的高可靠、高精度自主变轨控制方案,介绍了飞行轨道、轨控策略及控制参数优化、星上自主变轨控制的系统设计和相关参数的地面标定等,给出了在轨飞行试验的验证结果。

关键词:嫦娥一号卫星;地月转移;轨道控制;自主变轨控制中图分类号:V446 1;V448.22 文献标识码:A 文章编号:1674 1579(2008)01 0044 07

O rbitM aneuver C on tro l duri ng C isl unar T ransfer Phase for CE 1Spacecraft

Z ONG H ong ,WANG Shuy,i HAN Dong ,WANG Day ,i LI T ieshou ,Z HANG H onghua ,HUANG Ji a ngchuan

(B eijing Instit u te of Control Engineering,B eijing 100080,China )

Abst ract :A high l y re liab le and accura te on board contro l syste m design sche m e is presented for the or b it m aneuvers o f CE 1spacecraft duri n g its cisl u nar transfer phase .F li g ht trajectories ,or b it transfer

strateg i e s and para m eter opti m ization ,on board autono m ous m aneuver control procedures and para m eter cali b erations are addressed.Flight verification resu lts are g i v en as w e l.l

K eyw ords :CE 1spacecraf;t cisl u nar transfer ;orbit contro;l autono m ous or b it m aneuver

收稿日期:2007 12 11

作者简介:宗红(1971-),女,北京人,高级工程师,主要从事飞行器制导导航控制的研究工作(e ma i :l zongh @bice .org .cn)。

1 引 言

嫦娥一号卫星于北京时间2007年10月24日

18时05分04秒由长征三号甲运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。经过一次远地点变轨和三次近地点变轨,嫦娥一号于10月31日进入地月转移轨道,并于11月5日准确按计划完成第一次近月制动,成为中国第一颗月球卫星。又经过两次变轨后,她终于到达离月面200k m 的通过月球两极上空的圆形工作轨道。

嫦娥一号卫星与月球轨道交会过程中地月转移变轨控制至关重要,特别是第三次近地点加速和第一次近月点制动两次关键变轨,其控制窗口具有唯一性和短暂性,必须保证按飞行计划及时、准确地完成各次变轨控制。为此,嫦娥一号卫星采用星

上自主定姿、自主姿态控制、自主开/关变轨发动

机、自主故障检测以及快速恢复轨控的自主变轨控制方案,由地面配合进行轨控参数优化及推力标定

和加速度计标定,并采取保证变轨精度的系统设

计,出色地完成了地月转移过程中的各项轨控任务。文中所指的地月转移阶段是指从星箭分离开始到进入使命轨道的整个过程。本文介绍了嫦娥一号卫星地月转移阶段的飞行轨道和变轨策略、轨道控制大系统、星上自动变轨控制的设计、变轨控制参数的计算和标定、保证变轨精度的其它措施以及飞行验证结果。

2 地月转移飞行轨道及控制要求

2.1 在地月系统中的标称飞行轨道

嫦娥一号卫星的地月转移阶段,包括调相轨道、地

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第1期宗 红等:嫦娥一号卫星的地月转移变轨控制

月转移轨道和绕月轨道。飞行轨道如图1所示[1]

。嫦娥一号卫星由长征三号甲运载火箭送入近地点200km 、远地点51000km 的大椭圆轨道(超GTO)。调相轨道任务是将超GTO 轨道变为远地点约400000km 的地月转移轨道。星箭分离后,卫星在周期16小时的超GTO 轨道上运行一圈半后,在远地点做一次小的轨道机动,将轨道近地点高度变为600km,再运行一圈半,在近地点进行第一次大的轨道机动,将轨道周期变为约24小时,接着运行1~3圈后,进行第二次近地点变轨,将轨道周期变为约48小时。运行1圈后,在调相轨道运行结束到达

最后一个近地点时,进行第三次近地点变轨,使卫星进入地月转移轨道。

地月转移轨道共飞行114小时,是接近燃料消耗最少的转移轨道。在转移轨道飞行途中一般都需进行若干次轨道修正,正常情况下是2~3次,一次在离开近地点后的24小时以内完成,最后一次是在到达近月点前的24小时以内完成。

卫星到达近月点后,为了使其变为绕月飞行的月球卫星,需要在近月点进行3次减速机动。依次将轨道周期变为12小时、3.5小时和127分钟,最

终进入使命轨道。

图1 嫦娥一号卫星飞行轨道示意图

2.2 对轨道控制的要求

科学探测要求嫦娥一号卫星的工作轨道为高度200km 25k m,相对于月球赤道的倾角为90 5 。为了到达这一工作轨道,嫦娥一号飞行过程中要经历8~10次轨道控制,包括1次远地点变轨、3次近地点变轨、1~3次中途修正和3次近月点制动。

在进入地月转移轨道时,很小的初始速度误差就会导致到达近月点时出现几千千米的位置误差,初始速度误差越大,轨道修正所需的燃料就越多。此外,由于卫星在近地点的高度低、速度快,若轨道控制的误差较大,就会导致近地点位置发生变化,这时地面就不能保证连续的测控条件,因此嫦娥一号的轨道控制必须足够精确。

地月转移轨道的入口和第一次近月点制动都具有唯一性。地月转移轨道入口要求必须在特定的时间从特定的位置上进入转移轨道,否则不能按

照预定计划与月球交会;第一次近月点制动则要求必须在近月点附近进行减速,否则卫星将飞离月球。如果这两次变轨中任何一次失利,要想重新到达月球附近就需要花费大量的燃料和时间,甚至根本无法实现。

为确保变轨按计划及时执行,考虑到恶劣情况,在没有地面测控支持时,卫星也要具有一定自主变轨的能力。

基于上述考虑,对嫦娥一号卫星的轨道控制提出了精确性和及时性的要求,同时也要具备一定的自主性。

3 星地大回路轨道控制

嫦娥一号卫星轨道控制由星上和地面共同完成。星上部分主要是制导、导航和控制(GNC )分系

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