应急观测小椭圆轨道设计及轨道机动方法研究

发布时间：2017-10-17 07:02

  本文关键词：应急观测小椭圆轨道设计及轨道机动方法研究

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【摘要】：卫星提供的天基信息支持能有效支援军事活动与地面救援任务,已成为对突发事件迅速反应不可或缺的空间力量,然而如何减小成本并提高响应能力,是空间快速响应技术十分关注的一个问题。本文以此为背景,对应急观测任务卫星小椭圆轨道设计方法及J2摄动下在轨卫星有限时间内星下点轨迹调整优化算法和解析算法进行研究,主要完成如下内容:针对应急救灾只需数天精确观测的特点,提出了一种仅短期处于近地点附近执行观测任务的小椭圆轨道设计方案并推导了设计方法,解决了低轨圆轨道减小大气阻尼与提高地面分辨率不能兼顾的矛盾。针对重访要求设计了小椭圆回归轨道;重点针对椭圆轨道地面分辨率约束,建立了地面分辨率与近地点的联系,利用拱线的旋转规律推导了小椭圆轨道观测判据及地面分辨率控制参数设计规则;针对中高纬地区即时光照强度不能由降交点地方时确定的问题,归纳了地球任意一点地面光照强度计算方法,反过来针对地面光照约束,推导了地面任意一点指定光照强度当日临界时刻的计算方法。以星下点轨迹模型为基础,设计了变轨控制参数优化算法,实现了在轨卫星星下点轨迹精确调整。针对逐点搜索精度高效率低的问题,结合平均轨道理论建立了末端滑行模型,设计了改进的单脉冲数值算法。针对多脉冲优化模型局部极小多的特点,设计了将遗传算法和非线性规划算法通过内外层方式组合的双层算法,解决了遗传算法对本问题的早熟现象,提高了计算效率。给出了四脉冲以内的算法结果,表明带初始滑行段的单脉冲是最优脉冲。针对目标轨道给定的多脉冲轨迹调整,分析了可行域的特点,验证了遗传算法能有效地求解该优化模型。算法结果验证了目标轨道分别为圆轨道和椭圆轨道的两种情况,各自至少只需两个脉冲和三个脉冲实现星下点轨迹调整。最后,推导了星下点轨迹调整三种解析算法。归纳了小椭圆轨道脉冲推力模型,引入了改进的春分点轨道根数。根据滑行段星下点轨迹模型,分析了星下点轨迹四项主要影响因子,建立了其与脉冲模型的关系,并重点对第一轨的平近角之差简化公式进行了推导。然后依次推导了已知末端时刻经度差有参考星摄动模型解析算法,已知初始时刻轨道面与目标经度差无参考星摄动模型解析算法及已知末端时刻经度差有参考星混合模型解析算法,均得到了三次方程形式的解析解,通过调整方程系数,可以计算最优脉冲和所有可行解。针对初始轨道为圆轨道和小椭圆轨道两种情况,分别给出了算法实例,结果表明三种算法均具有较高的计算精度与速度,根据不同初始条件可以选用不同方法。
【关键词】：应急轨道设计 小椭圆轨道 星下点轨迹调整 遗传算法 解析算法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V412.41
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 论文研究背景及研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 应急观测卫星轨道设计现状12-14
• 1.2.2 空间快速响应技术研究现状14-15
• 1.2.3 星下点轨迹调整方法研究现状15-17
• 1.3 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 卫星轨道基础19-25
• 2.1 时间系统19-21
• 2.1.1 常用的时间系统19-20
• 2.1.2 儒略日20-21
• 2.2 坐标系统21-22
• 2.2.1 地心惯性坐标系21-22
• 2.2.2 地心地固坐标系22
• 2.2.3 坐标转换22
• 2.3 力学模型22-24
• 2.3.1 二体问题22-23
• 2.3.2 摄动因素分析23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 应急观测小椭圆轨道设计25-45
• 3.1 过顶约束下星下点轨迹分析25-26
• 3.2 小椭圆轨道回归特性分析26-30
• 3.2.1 任意倾角小椭圆回归轨道设计Q值法26-29
• 3.2.2 仿真实例29-30
• 3.3 小椭圆轨道近地点过顶方法分析30-35
• 3.3.1 地面分辨率约束与近地点漂移30-32
• 3.3.2 近地点过顶方法32-35
• 3.4 光照约束下过顶时刻设计35-41
• 3.4.1 任意时刻地面光照强度计算分析35-38
• 3.4.2 任意时刻地面光照强度计算与仿真实验38
• 3.4.3 地面光照强度临界时刻计算与算例38-41
• 3.4.4 过顶时刻设计41
• 3.5 应急观测小椭圆轨道设计41-42
• 3.6 仿真算例与结果分析42-44
• 3.7 本章小结44-45
• 第4章 星下点轨迹调整优化算法45-67
• 4.1 星下点轨迹调整的单脉冲数值算法45-49
• 4.1.1 星下点轨迹分析45-46
• 4.1.2 仿真实例46-49
• 4.2 改进的单脉冲数值算法49-55
• 4.2.1 卫星近顶规律分析50-51
• 4.2.2 终端滑行段星下点轨迹建模51-52
• 4.2.3 仿真实例52-55
• 4.3 多脉冲遗传算法和非线性规划法双层算法55-60
• 4.3.1 多脉冲星下点轨迹调整优化模型55-57
• 4.3.2 算法流程57
• 4.3.3 仿真实例与结果分析57-60
• 4.4 给定目标轨道多脉冲遗传算法60-65
• 4.4.1 给定目标轨道多脉冲调整优化模型61-62
• 4.4.2 双脉冲目标圆轨道仿真实例62-63
• 4.4.3 三脉冲目标椭圆轨道仿真实例63-65
• 4.5 本章小结65-67
• 第5章 星下点轨迹调整解析算法67-87
• 5.1 小椭圆轨道脉冲推力解析模型67-70
• 5.2 带参考星轨迹调整摄动模型解析算法70-79
• 5.2.1 星下点轨迹主要影响因子分析70-74
• 5.2.2 带参考星轨迹调整摄动模型解析算法74-76
• 5.2.3 仿真实例76-79
• 5.3 无参考星轨迹调整摄动模型解析算法79-82
• 5.3.1 无参考星轨迹调整摄动模型解析算法79-80
• 5.3.2 仿真实例80-82
• 5.4 带参考星轨迹调整混合模型解析算法82-86
• 5.4.1 带参考星轨迹调整混合模型解析算法82-84
• 5.4.2 仿真实例84-86
• 5.5 本章小结86-87
• 结论87-89
• 参考文献89-97
• 致谢97

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 王峰;叶水驰;曹喜滨;;快速响应对地观测小卫星发展现状及趋势[A];中国空间科学学会2013年空间光学与机电技术研讨会会议论文集[C];2013年

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本文编号：1047431