【CN110096726A】基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910130688.8

(22)申请日 2019.02.21

(71)申请人 上海卫星工程研究所

地址 200240 上海市闵行区华宁路251号

(72)发明人 郑艺裕　黄欣　宋效正　

(74)专利代理机构 上海段和段律师事务所

31334

代理人 李佳俊　郭国中

(51)Int.Cl.

G06F 17/50(2006.01)

(54)发明名称基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法(57)摘要本发明涉及到一种航天器轨道技术领域内的基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤1、建立高精度的轨道动力学模型，完成地月转移窗口搜索和奔月轨道初步设计；步骤2、建立月球借力轨道模型，绘制借力后返回轨道的关键参数等高线图，为借力参数优化设计提供初值；步骤3、利用绘制的等高线图和返回轨道设计约束，对借力参数进行优化，完成借力返回轨道设计。本发明有效解决了月球借力参数快速优化设计难题，为GEO卫星应急转移方案快速制定提供了有效的方法，

数值计算结果显示了该方法的有效性。权利要求书2页 说明书5页 附图2页CN 110096726 A 2019.08.06

C N 110096726

A

1.一种基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、建立高精度的轨道动力学模型，完成地月转移窗口搜索和奔月轨道初步设计；步骤2、建立月球借力轨道模型，绘制借力后返回轨道的关键参数等高线图，为借力参数优化设计提供初值；

步骤3、利用绘制的等高线图和返回轨道设计约束，对借力参数进行优化，完成借力返回轨道设计。

2.根据权利要求1所述基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，其特征是：步骤1具体包括：

步骤101：建立高精度的轨道动力学模型，主要包括地球高阶引力场摄动、日月引力摄动、太阳光压以及大气阻力等因素；

步骤102：定义δ为卫星近地点瞬时轨道拱线与月球位置矢量的夹角：

δ＝arccos(u aps ·u moon )

式中，u aps 为卫星近地点瞬时轨道拱线单位矢量，指向远地点；u moon 为月球位置矢量的单位矢量；根据上述定义，可计算得到一年时间内δ的时间历程，选取δ最小值对应的时刻，完成地月转移窗口搜索；

步骤103：以上述δ最小值对应的二体轨道作为初始轨道，展开奔月轨道初步设计；为达到快速设计的目的，假设δ为0度，即初始轨道的拱线位于月球轨道平面内；同时，假设月球为倾角为i moon 的圆轨道；

利用二体模型计算近地点施加的速度增量为

式中，μearth 为地球引力常数，

a moon 为月球轨道半径，r p0为初始轨道近地点地心距,a 0为卫星初始轨道半长轴；至此，完成奔月轨道初步设计。

3.根据权利要求1所述基于月球借力的GEO卫星应急转移轨道快速优化设计方法，其特征是：步骤2具体包括：

步骤201：针对月球借力轨道模型，为降低优化变量个数，忽略卫星在月球引力场内部的飞行时间，即假设月球的引力影响球半径为零；建立参考坐标系：原点为位于月球质心，y 轴沿着月球速度矢量V moon ，z轴沿着月球轨道动量矩矢量，x轴与其它轴构成右手坐标系；

步骤202：在惯性坐标系下，卫星的双曲线超速矢量可以表示为

V ∞＝q 1V ∞sin αcos κ+q 2V ∞cos α-q 3V ∞sin αsin κ

式中，q 1、q 2和q 3为上述参考坐标系的单位矢量；V ∞为双曲线超速，由奔月轨道远地点速度和月球速度计算得到；α表示V ∞与月球速度V moon 的夹角，κ为参考坐标系下V ∞在xz平面内的投影与x轴的夹角，逆时针旋转为正；在上式中，α和κ均为待设计量，决定借力后卫星的速度：

V out ＝V moon +V ∞

由于借力后卫星的位置矢量R out 与月球的位置矢量重合R moon ，即R out ＝R moon ，且R moon 已知，因此V out 确定后，可以根据直角坐标与轨道六根数关系计算得到返回轨道的近地点、远地点和轨道倾角；可以计算相应的飞越高度为

权　利　要　求　书1/2页2CN 110096726 A