傾斜同步軌道衛(wèi)星交叉點(diǎn)位置演化及保持

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1、412008年12月中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)第1期CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY傾斜同步軌道衛(wèi)星交叉點(diǎn)位置演化及保持1,22朱民才胡松杰(1北京航空航天大學(xué),北京100191)(2北京航天飛行控制中心,北京100094)摘要傾斜同步軌道(IGSO)衛(wèi)星交叉點(diǎn)位置在各種軌道攝動(dòng)因素和入軌偏差的共同影響下,其交叉點(diǎn)位置會(huì)在赤道上發(fā)生漂移,這種漂移將導(dǎo)致服務(wù)區(qū)域的漂移,從而影響系統(tǒng)的性能,因此IGSO衛(wèi)星需要進(jìn)行定期的交叉點(diǎn)位置保持來(lái)保證服務(wù)的穩(wěn)定。對(duì)IGSO衛(wèi)星交叉點(diǎn)位置的演化和保持問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究,首先,討論了

2、IGSO衛(wèi)星交叉點(diǎn)位置的演化規(guī)律,給出了在地球非球形引力、日月引力攝動(dòng)以及衛(wèi)星入軌偏差作用下的交叉點(diǎn)位置的演化公式,并分析了公式的精度;接著,在對(duì)交叉點(diǎn)位置演化規(guī)律的分析基礎(chǔ)上,進(jìn)一步討論了IGSO衛(wèi)星交叉點(diǎn)位置保持策略。關(guān)鍵詞傾斜同步軌道位置保持軌道攝動(dòng)導(dǎo)航衛(wèi)星1引言?xún)A斜同步軌道(IGSO)是指傾角不為0的地球同步軌道,其星下點(diǎn)軌跡是一個(gè)跨南北半球的“8”字,其星下點(diǎn)軌跡與赤道相交于一點(diǎn),該點(diǎn)常稱(chēng)之為交叉點(diǎn)。IGSO衛(wèi)星的交叉點(diǎn)位置在軌道攝動(dòng)以及衛(wèi)星實(shí)際工作軌道與設(shè)計(jì)軌道間偏差(下文簡(jiǎn)稱(chēng)入軌偏差)的影響下,會(huì)在赤道上發(fā)生漂[1-2]移,

3、從而導(dǎo)致服務(wù)區(qū)域的漂移;因此IGSO衛(wèi)星需要對(duì)交叉點(diǎn)位置進(jìn)行定期的保持來(lái)保證服務(wù)區(qū)域的穩(wěn)定;但由于目前尚無(wú)在軌運(yùn)行的IGSO衛(wèi)星,因此對(duì)IGSO衛(wèi)星的交叉點(diǎn)位置演化和保持問(wèn)題的研究還不是很多。目前,國(guó)際電聯(lián)對(duì)地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星的定點(diǎn)保持有著嚴(yán)格的要求:GEO衛(wèi)星只能在其定點(diǎn)位置±011°的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng),一旦超出此范圍就必須對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行位置保持控制,而對(duì)IGSO衛(wèi)星尚沒(méi)有明確的要求;因此只要能滿(mǎn)足服務(wù)性能的要求,IGSO衛(wèi)星的交叉點(diǎn)位置漂移范圍(保持盒)可以放的很大。由于GEO衛(wèi)星保持盒小,兩次位置保持之間的時(shí)間間隔較短(一般為半個(gè)月)

4、,因[3]此在研究GEO衛(wèi)星點(diǎn)位演化和保持策略時(shí),可將地球重力場(chǎng)田諧項(xiàng)引起的田諧共振進(jìn)行線性化[4-5]處理,而對(duì)IGSO衛(wèi)星,因其保持盒可能很大,兩次保持之間的時(shí)間間隔會(huì)較長(zhǎng),如果對(duì)田諧共振同樣進(jìn)行線性化處理,那么就需要對(duì)這種處理的有效性進(jìn)行分析。2IGSO衛(wèi)星交叉點(diǎn)位置演化IGSO衛(wèi)星的交叉點(diǎn)位置可以用衛(wèi)星過(guò)升交點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的地理經(jīng)度來(lái)描述,即ΩG=ΩG0+N(ΩC-ωe)T(1)式中ΩG為交叉點(diǎn)位置經(jīng)度;ΩG0為初始時(shí)刻的交叉點(diǎn)位置經(jīng)度;ΩC為升交點(diǎn)赤經(jīng)的變化率;ωe為收稿日期:2008206212。收修改稿日期:20082082044

5、2中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)2009年2月地球自轉(zhuǎn)角速度;T為衛(wèi)星過(guò)升交點(diǎn)的交點(diǎn)周期;N為衛(wèi)星從初始時(shí)刻起運(yùn)行的周期數(shù)(對(duì)IGSO衛(wèi)星可看作是從初始時(shí)刻起算的整天數(shù))。這樣,IGSO交叉點(diǎn)位置變化ΔΩG可以描述為ΔΩG=N(ΩC-ωe)T(2)由于IGSO衛(wèi)星實(shí)際軌道交叉點(diǎn)周期在入軌偏差以及軌道攝動(dòng)作用下,并不等于地球的自轉(zhuǎn)周2π期,而存在一小偏差,即T=+δT,這里,δT為相應(yīng)的偏差,有ωeδn2π2δT=-+o(δn)(3)ωeωe式中δn為IGSO衛(wèi)星實(shí)際平均運(yùn)動(dòng)角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度之間的差異。于是,式(2)可近似寫(xiě)為2πΔΩG=(ΩC+δ

6、n)N-2Nπ(4)ωe去掉整周項(xiàng)后,便可得描述交叉點(diǎn)位置經(jīng)度長(zhǎng)期變化的表達(dá)式:2πΔΩG=(ΩC+δn)N(5)ωe式中的ΩC和δn,主要由軌道攝動(dòng)和入軌偏差導(dǎo)致,其中地球非球形引力攝動(dòng)和第三體引力攝動(dòng)是主要軌道攝動(dòng)因素。對(duì)IGSO衛(wèi)星而言,地球扁率攝動(dòng)和日月引力攝動(dòng)是導(dǎo)致衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)的長(zhǎng)期變化和平均運(yùn)動(dòng)角速度變化的主要攝動(dòng)源,即有ΩC=Ω1+Ω2(6)δn=λ1+λ2+δn0(7)式中Ω1、λ1為地球扁率攝動(dòng)導(dǎo)致的升交點(diǎn)赤經(jīng)以及衛(wèi)星緯度角的長(zhǎng)期變化率;Ω2、λ2為日月引力攝動(dòng)引起的升交點(diǎn)赤經(jīng)以及衛(wèi)星緯度角的長(zhǎng)期變化率。文獻(xiàn)[1]和

7、文獻(xiàn)[3]中給出了這些攝動(dòng)項(xiàng)的詳細(xì)表達(dá)式,可以直接引用;δn0為初始時(shí)刻實(shí)際軌道平均運(yùn)動(dòng)角速度和設(shè)計(jì)平均運(yùn)動(dòng)角速度之間的偏差。除了地球扁率和日月引力引起的IGSO交叉點(diǎn)位置的長(zhǎng)期線性變化之外,IGSO在地球田諧攝動(dòng)的影響下將出現(xiàn)軌道共振現(xiàn)象,其中最主要的是J2,2項(xiàng)引起,共振將導(dǎo)致軌道半長(zhǎng)軸的長(zhǎng)周期變化,也即衛(wèi)星平均運(yùn)動(dòng)角速度的長(zhǎng)周期變化,下面來(lái)討論這種長(zhǎng)周期變化。在J2,2項(xiàng)的作用下,因軌道共振導(dǎo)致的半長(zhǎng)軸長(zhǎng)周期變化可寫(xiě)為da3ReJ2,22=n(1+cosi)sin2(ΩG-λ2,2)(8)dta式中a為軌道半長(zhǎng)軸;n為衛(wèi)星平均運(yùn)動(dòng)角

8、速度;i為衛(wèi)星軌道傾角;Re為地球赤道半徑;λ2,2為J2,2對(duì)應(yīng)赤道橢圓的對(duì)稱(chēng)軸的經(jīng)度,有S2,2tan2λ2,2=(9)C2,2式中C2,2和S2,2項(xiàng)為地球引力場(chǎng)的2度2階的球諧系數(shù)。由