[发明专利]一种利用悬浮轨道实现异面轨道快速机动方法

摘要

本发明公开了一种利用悬浮轨道实现异面轨道快速机动方法，通过机动过程的规划、机动代价分析对比、稳定性分析和多脉冲方式的实现，并通过相关的仿真分析验证了该方法作为一种异面轨道机动方式的可行性和优势。本发明将悬浮轨道作为中间转移轨道，通过针对任务的合理设计，能够实现轨道面和相位角同步调整，大大降低发动机推力需求，并节约任务时间消耗，有益于未来空间大范围机动任务的实现，为大范围快速轨道机动任务提供技术支持。

主权项

1.一种利用悬浮轨道实现异面轨道快速机动方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、机动过程规划飞行器在初始轨道上运动至机动起始点A开始施加持续法向力的作用，并沿着悬浮轨道运动至机动终止点B，然后撤去持续力，使得飞行器进入目标轨道实现轨道转移；步骤二、机动代价分析地球半径为r，初始轨道与目标轨道的轨道均为圆轨道，半径为R，轨道倾角为i，机动起始点距离初始轨道最北点的相位角为δ，悬浮轨道面与赤道面的夹角为ε，最终获得的悬浮轨道与初始轨道拼接点距离悬浮轨道最南点的相位角为η；机动过程持续力施加时间t_displaced的表达式为持续力F_thrust应始终垂直于地心引力方向，其大小为F_thrust＝F_OtanΔi  (2)步骤三、悬浮轨道稳定性分析悬浮轨道稳定系统的两个与距离相关参数的干扰方程如下其中，因此，则有变分方程的特征多项式为：上式被看成一个如下的四阶系统：a₀γ⁴+a₁γ³+a₂γ²+a₃γ¹+a₄γ⁰＝0  (6)根据劳斯稳定性判据可知，该系统具有如下稳定性条件：简化求解得到稳定性条件为：步骤四、多脉冲方式的实现假定任务轨道的轨道倾角为i，半长轴为a，取整周期脉冲弧段个数为n时，以悬浮轨道与脉冲弧段节点高度相同的拼接方式为例，具体设计分析过程如下；根据开普勒轨道相关理论可知，V₁与V₀通过三次坐标转化的转化关系为：同理可知V₂与V₀三次坐标转化的坐标转化关系为：已知在卫星yOz平面内时，轨道速度V₀＝[V 0 0]^T，从而能够通过V₂与V₁矢量相减得到地球惯性系下在yOz平面内单次机动脉冲为：第一次脉冲ΔV₁与ΔV之间也存在一个旋转矩阵A_z'(α/2)：递推得到之后每次的速度脉冲，只需将ΔV绕z'轴旋转α即可，也就是再引入一个旋转矩阵A_z'(α)：对传统单脉冲式机动、理想连续推力式机动和实际的多脉冲式机动三种方式的机动任务中累积速度脉冲情况进行分析对比：首先，通过一次坐标转化可知初始开普勒轨道的法向量应为当升交点赤经调整量为β时，目标开普勒轨道与初始开普勒轨道之间存在一个旋转矩阵A_z'(β)，进而得到目标开普勒轨道的法向量为：求两轨道面夹角γ为：累计速度脉冲为：连续推力式悬浮轨道机动累积速度脉冲与升交点赤经β成正比关系：脉冲调宽的悬浮轨道式机动累计速度脉冲为：