低軌低傾角衛(wèi)星總體適應(yīng)性方案研究

葉小舟，黃業(yè)平，仲惟超，沈慶豐

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

·技術(shù)前沿·

低軌低傾角衛(wèi)星總體適應(yīng)性方案研究

葉小舟，黃業(yè)平，仲惟超，沈慶豐

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

針對低軌低傾角衛(wèi)星的復(fù)雜光照特性開展了深入分析，并論述了其對衛(wèi)星總體設(shè)計的具體影響?；谲壍烂婀庹战谴髣討B(tài)周期變化規(guī)律，系統(tǒng)地提出了四種典型的衛(wèi)星總體適應(yīng)性方案并比對分析了各方案特點，最后結(jié)合載荷、任務(wù)等約束條件給出了方案選擇建議?？勺鳛榈蛙壍蛢A角衛(wèi)星的總體設(shè)計參考。

低軌；低傾角；衛(wèi)星；偏航機(jī)動；對日定向

0 引言

軌道六要素確定了衛(wèi)星任意時刻在空間的位置。按照衛(wèi)星軌道要素的不同，可將衛(wèi)星軌道分為不同類型。按照偏心率不同，可分為：圓軌道(e=1 )、橢圓軌道(0

早期發(fā)射的低軌傾斜軌道衛(wèi)星多為太陽同步軌道的衛(wèi)星，其顯著特征是軌道平面與太陽矢量始終保持穩(wěn)定的夾角，具有訪問同一緯度地區(qū)時固定的特性[2]，同時為衛(wèi)星總體設(shè)計提供了良好的光照條件約束。近年來，隨著高重訪及時間遍歷任務(wù)需求的提出，越來越多的低軌衛(wèi)星采用低傾角軌道。但由于升交點赤經(jīng)漂移和地球繞太陽公轉(zhuǎn)運動，低傾角軌道的軌道平面與太陽矢量的夾角變化要比太陽同步軌道復(fù)雜，增加了衛(wèi)星的能源、姿控及熱控等總體設(shè)計難度。

不同于以往文獻(xiàn)僅從某個單一項目角度提出了針對性的設(shè)計，如太陽帆板對日定向、能源平衡、姿控方案、熱控方案[3-6]等，本文從整星角度系統(tǒng)地提出了多種低軌低傾角軌道總體適應(yīng)性方案，并結(jié)合具體的載荷及任務(wù)約束進(jìn)行了方案比較，最終給出了衛(wèi)星總體方案選擇建議。

1 軌道光照特性分析

低傾角軌道由于軌道面進(jìn)動與地球公轉(zhuǎn)方向相反，軌道面向西進(jìn)動和太陽向東轉(zhuǎn)動兩者疊加，能相對較快地實現(xiàn)特定緯度帶的完整覆蓋，且訪問同一地區(qū)的時間不斷前移，具有更快重訪和時間遍歷特性。但同時太陽繞軌道面的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致了復(fù)雜變化光照特性，表現(xiàn)為軌道面光照角在一定范圍內(nèi)周期性震蕩。

以高度為1000km的軌道為例，40°傾角軌道和太陽同步軌道的軌道面光照角對比情況如圖1所示。

圖1 不同傾角1000km高度軌道面光照角年變化情況

從圖1中可知：傾角為40°的衛(wèi)星軌道面光照角一年周期變化約6次，變化區(qū)間為-63.2°～+63.4°；而中午窗口的太陽同步軌道的衛(wèi)星軌道面光照角一年變化區(qū)間僅為-3.5°～+5.5°?？梢?，低傾角軌道的光照角條件遠(yuǎn)比太陽同步軌道惡劣。

以高度為1000km、傾角為40°軌道為例，三年內(nèi)軌道面光照角變化情況如圖2所示。

圖2 軌道面光照角三年變化情況(h=1000km，i=40°)

由上述分析可知太陽光照角變化具有如下規(guī)律：

1)光照角變化是周期性的，且由短周期運動和長周期運動疊加而成。長周期與地球繞太陽公轉(zhuǎn)運動相關(guān)，約1年；短周期由升交點漂移速度決定，即與軌道高度和軌道傾角相關(guān)，示例約為2個月。

2)短周期與長周期運動疊加導(dǎo)致每個周期內(nèi)軌道面兩側(cè)的光照角幅值不相同，穿過0值表示太陽從軌道面的一側(cè)轉(zhuǎn)至另一側(cè)。

3)每個周期內(nèi)光照角在軌道面某一側(cè)的幅值大則太陽在這一側(cè)停留時間長(示例約為40天)，另一側(cè)幅值小則停留時間相對較短(示例約為20天)。

通過上述分析可知，低傾角軌道的光照特性雖然變化復(fù)雜，但具有一定的規(guī)律性，深入分析后可作為開展總體適應(yīng)性設(shè)計和方案優(yōu)化的基礎(chǔ)。

2 衛(wèi)星設(shè)計影響分析

在衛(wèi)星工程具體實施中，低傾角軌道的復(fù)雜光照條件導(dǎo)致星體各面均可受到陽光照射，從而給整星能源、姿控及熱控等設(shè)計帶來影響。

1)能源設(shè)計影響

采用常規(guī)固定翼太陽帆板或一維驅(qū)動太陽帆板均不能獲得較好的太陽光照角，無法為整星提供充足的能源保障，需重點考慮太陽帆板的兩維對日定向設(shè)計。

2)姿控設(shè)計影響

衛(wèi)星實現(xiàn)較高姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度的前提條件是獲取較高的姿態(tài)測量精度，主要的姿態(tài)測量設(shè)備如星敏感器等對光照非常敏感。由于各面均可能受照，不論姿態(tài)測量設(shè)備安裝在什么位置，太陽光都會周期性地影響其正常工作。

為連續(xù)輸出高精度姿態(tài)測量數(shù)據(jù)，需要配置多臺姿態(tài)測量產(chǎn)品，并進(jìn)行周期性的切換。為避免姿態(tài)測量產(chǎn)品視場干涉同時規(guī)避太陽光及雜散光影響，需要反復(fù)迭代選擇最佳安裝位置。復(fù)雜光照特性及不同產(chǎn)品組合切換增加了姿態(tài)確定方案的復(fù)雜性。需重點考慮產(chǎn)品配置、布局安裝、姿態(tài)確定等設(shè)計。

3)熱控設(shè)計影響

衛(wèi)星的外熱流極為復(fù)雜，無固定散熱面，壽命期內(nèi)會經(jīng)歷全日照軌道和最大地影軌道。因此除常規(guī)熱控設(shè)計外，需重點考慮散熱面選擇、主動熱控方式等設(shè)計。

3 總體適應(yīng)性方案研究

為適應(yīng)低軌低傾角軌道復(fù)雜光照條件，衛(wèi)星總體方案可結(jié)合載荷及任務(wù)約束，選擇整星不機(jī)動或整星機(jī)動方案。

3.1 整星不機(jī)動

整星不機(jī)動的方案中，衛(wèi)星各相關(guān)產(chǎn)品采用機(jī)構(gòu)規(guī)避或跟蹤太陽，衛(wèi)星能源、姿控及熱控的設(shè)計概要見表1。

表1 整星不機(jī)動方案概要說明

3.2 整星機(jī)動

整星機(jī)動的方案中，通過姿態(tài)機(jī)動為相關(guān)產(chǎn)品提供較好的光照條件，以簡化各相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計。具體可分為兩種，分別是整星偏航角機(jī)動和對日及對地定向模式切換。

1)整星偏航角機(jī)動

考慮到對地觀測衛(wèi)星，對于星體姿態(tài)保持的基本要求是確保載荷指向地面，即對衛(wèi)星的俯仰角和滾動角有限制而對衛(wèi)星的偏航角沒有限制，因此可通過調(diào)整衛(wèi)星的偏航角來實現(xiàn)規(guī)避或跟蹤太陽。偏航角機(jī)動根據(jù)每次機(jī)動角度的大小可分為連續(xù)偏航機(jī)動和固定偏航機(jī)動。

①整星連續(xù)偏航角度機(jī)動

根據(jù)光照角情況，衛(wèi)星偏航姿態(tài)進(jìn)行持續(xù)機(jī)動和帆板一維驅(qū)動調(diào)整，以確?？色@得最優(yōu)的光照條件，衛(wèi)星能源、姿控及熱控的設(shè)計概要見表2。

表2 整星連續(xù)偏航角度方案概要說明

②整星固定偏航角度機(jī)動

圖3 一個周期偏航機(jī)動規(guī)律設(shè)計

基于軌道光照特性分析章節(jié)中給出的光照角周期變化規(guī)律，考慮熱控要求、姿態(tài)敏感器視場約束等，設(shè)計了偏航姿態(tài)機(jī)動規(guī)律，見圖3。在一個太陽高度角變化周期內(nèi)，衛(wèi)星根據(jù)軌道計算進(jìn)行6次偏航機(jī)動，每次機(jī)動幅度為90°或180°。該方法可使衛(wèi)星姿態(tài)在每個周期的大部分時間處于姿態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，減少因衛(wèi)星機(jī)動帶來的對地觀測誤差。

整星固定偏航角度的方案中，衛(wèi)星能源、姿控及熱控的設(shè)計概要見表3。

表3 整星固定角度方案概要說明

具體工程實施中，可根據(jù)實際任務(wù)開展相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計：

機(jī)動次數(shù)優(yōu)化設(shè)計：可結(jié)合衛(wèi)星任務(wù)使命、工作模式、能源需求等，合理放寬光照角閾值要求以減少每個周期的機(jī)動次數(shù)。

帆板控制優(yōu)化設(shè)計：當(dāng)偏航姿態(tài)為90°或-90°時，可選取固定的帆板偏置角度，即可滿足工作能源需求，無需進(jìn)行驅(qū)動控制。

偏航狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計：對與小傾角軌道，設(shè)計每圈兩個小角度對稱的偏航姿態(tài)，結(jié)合帆板的一維驅(qū)動，可滿足工作需求；或設(shè)計帆板與軌道面偏置一定角度，結(jié)合帆板的一維驅(qū)動，偏航姿態(tài)僅需0°和180°也可滿足工作需求。

2)對日及對地定向模式切換

整星對日及對地定向模式切換的方案中，衛(wèi)星能源、姿控及熱控的設(shè)計概要見表4。

表4 整星對日及對地定向模式切換方案概要說明

3.3 方案特點分析及選用建議

兩類四種方案的匯總描述和特點分析見表5。

表5 低傾角軌道總體方案匯總描述及特點分析

綜上所述，結(jié)合衛(wèi)星具體任務(wù)載荷和工作需要，有以下建議：

1)若載荷只能在零偏航模式下工作，且有連續(xù)長時工作需求，則選整星不機(jī)動的總體適應(yīng)性方案；

2)若載荷可在±90°及180°偏航姿態(tài)下正常工作且每圈有長時工作需要，則優(yōu)選整星固定偏航角度機(jī)動的總體適應(yīng)性方案，可根據(jù)實際情況優(yōu)化機(jī)動次數(shù)和帆板控制等設(shè)計；

3)對于小傾角軌道，可根據(jù)載荷適應(yīng)能力優(yōu)化偏航狀態(tài)，選擇小角度對稱偏航或180°偏航角度機(jī)動的總體適應(yīng)性方案；

4)若載荷可在整星偏航角度持續(xù)機(jī)動過程中正常工作，則為了最大限度挖掘整星供電能力、最大可能延長載荷工作時間，優(yōu)選整星連續(xù)偏航角度機(jī)動的總體適應(yīng)性方案；

5)對于每圈工作時間短、能源需求低的小衛(wèi)星，則優(yōu)選對日及對地定向模式切換方案。

4 結(jié)束語

低軌低傾角軌道具有更快重訪、時間遍歷等特性，針對特定緯度帶的觀測任務(wù)，相比較于太陽同步軌道，低傾角軌道具有更多的優(yōu)勢，但該類軌道的復(fù)雜光照條件增加了整星能源、姿控、熱控等設(shè)計難度。本文分析了低軌低傾角軌道的軌道面光照角變化規(guī)律，論述了其對衛(wèi)星能源、姿控、熱控等設(shè)計的具體影響。從整星角度出發(fā)，結(jié)合軌道復(fù)雜光照特性和衛(wèi)星工程具體實施，系統(tǒng)地提出了兩類四種可供選擇的典型總體適應(yīng)性方案，并對此開展了特點分析和比較，最終給出了不同任務(wù)下的優(yōu)選方案建議。本文提出的方案與建議可作為低軌低傾角衛(wèi)星的總體設(shè)計參考?！?/p>

[1] 張育林,范麗,張艷,等.衛(wèi)星星座理論與設(shè)計[M]. 北京:科學(xué)出版社,2008.

[2] 章仁為.衛(wèi)星軌道姿態(tài)動力學(xué)與控制[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998.

[3] 王穎,顧荃瑩.傾斜軌道航天器太陽翼對日跟蹤方法探討[J].航天器工程,2009, 18(3)：36-40．

[4] 李小飛,喬明,陳琦.傾斜軌道衛(wèi)星能量平衡優(yōu)化分析方法[J]. 航天器工程,2014,23(4)：52-56．

[5] 豐保民,陳占勝,葉立軍,等.傾斜軌道小衛(wèi)星太陽高度角分析與機(jī)動方案設(shè)計[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2016,42(3):33-37.

[6] 周硯耕.一種兼顧不同軌道姿態(tài)的衛(wèi)星熱控優(yōu)化設(shè)計方法[J].空間科學(xué)學(xué)報,2016,36(3):380-385.

Research on overall adaptability scheme of the low orbit andlow inclination satellite

Ye Xiaozhou， Huang Yeping， Zhong Weichao， Shen Qingfeng

(Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 201109，China)

The complex illumination characteristics of the low orbit and low inclination satellite are deeply analyzed. Based on the large dynamic periodic variation law of the orbital plane illumination angle, four typical satellite overall schemes are proposed systematically, and the characteristics of each scheme are compared and analyzed. Finally combined with the payloads,missions, etc., the scheme selection proposal is given. It can be used as a design reference in the system design of the low orbit and low inclination satellite.

low orbit;low inclination;satellite;yaw maneuver flight; sun tracking

2017-03-02；2017-05-12修回。

葉小舟(1982-)，女，高工，主要從事衛(wèi)星總體、載荷綜合應(yīng)用等領(lǐng)域的研究工作。

TN975

A