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静止轨道多星共位技术研究

作　者: 石善斌
导　师: 吕志平；董光亮
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 测绘科学与技术
关键词: 地球静止轨道 多星共位 位置保持 轨道隔离 相对轨道动力学 轨道根数差 星间测量
分类号: V448.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


随着各国对地球静止轨道的利用,静止轨道卫星的数量急剧增加,造成了静止轨道局部特别是热点地区较为拥挤的现象。为了解决逐渐增加的静止轨道卫星与有限的轨道弧段之间的矛盾,设计人员采用“多星共位”的方法来解决轨道资源紧张的问题,多星共位是指在通常仅放置一颗卫星的窗口内即经纬度±0.1°范围之内保持两颗或两颗以上的卫星。国外在20世纪80年代就开始对此项技术进行了研究,并在90年代对这种技术进行了应用。随着多星共位技术的发展,越来越多的国家已经实现了双星共位或多星共位,比较典型的是欧洲在19.2°E位置共位的7颗ASTRA系列卫星和在13°E位置共位的5颗HOYBIRD系列卫星。我国也在2003年成功实现了双星共位运行。随着我国航天事业的发展,静止轨道卫星的需求逐渐增加,因此将来必然需要实现三星甚至更多卫星的共位运行。由于受到各种摄动力的影响,共位卫星会产生漂移,使其漂出定点窗口;摄动力以及轨控误差的影响也会使共位卫星之间的相对轨道产生变化,从而产生相互靠近的危险。研究多星共位的主要任务就是分析在摄动力的影响下如何将共位运行的多颗卫星保持在定点窗口之内,并且使卫星之间相互不发生碰撞、遮挡。为此,本文主要开展了以下几个方面的研究:1.静止轨道多星共位的应用背景、概念及其应用优势,国内外多星共位的研究与应用现状,以及多星共位需要解决的问题。2.分析了静止轨道卫星所受的主要摄动对共位卫星及其相对运动的影响,认为只有在面质比不同时,两颗卫星相对运动才会逐渐变化。3.研究了多星共位的约束条件,在详细分析各种共位隔离方法的基础上,对其进行了归纳总结。并根据轨道根数偏差对共位卫星隔离的影响以及轨道隔离方法的特点,比较分析各种隔离方法的优缺点及其适用性。4.基于偏心率、倾角隔离进行共位,讨论了南北、东西的保持方法及其共位参数的设置方法,提出了一种共位卫星东西保持的优化方法。并对同步/非同步控制进行了比较分析,在此基础上分析了子午面内倾角、偏心率隔离采用非同步位置保持后偏心率矢量差和倾角矢量差存在夹角的问题。5.从轨道根数差的角度分析共位卫星的相对轨道校正方法,推导了利用法向单冲量对平面外相对位置进行校正和利用切向三冲量对平面内相对位置进行校正的公式。并提出东西位置保持联合平面内相对位置校正的方法。6.从静止轨道共位卫星的轨道根数差出发,推导了共位卫星的相对运动状态转移方程。在此基础上通过自适应kalman滤波对其相对轨道进行估计。

全文目录


摘要  10-12
Abstract  12-14
第1章 绪论  14-21
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 国内外研究与应用现状  15-18
    1.2.1 国外研究与应用现状  15-17
    1.2.2 国内研究与应用现状  17-18
  1.3 多星共位需要解决的问题  18-19
  1.4 论文的研究内容  19-21
第2章 静止轨道共位卫星受摄运动分析  21-42
  2.1 静止轨道同步根数  21-23
  2.2 静止轨道共位卫星的相对运动的描述  23-26
  2.3 地球非球形引力摄动对共位卫星运动的影响分析  26-31
    2.3.1 地球非球形引力对静止轨道卫星的摄动  26-29
    2.3.2 地球非球形引力对共位卫星相对运动的影响分析  29-31
  2.4 日月引力对共位卫星运动的影响分析  31-33
    2.4.1 日月引力对卫星静止轨道卫星的摄动  31-33
    2.4.2 日月引力对共位卫星相对运动的影响分析  33
  2.5 太阳光压对共位卫星运动的影响分析  33-40
    2.5.1 太阳光压对静止轨道卫星的摄动  33-36
    2.5.2 太阳光压对不同面质比共位卫星相对运动的影响分析  36-40
  2.6 小结  40-42
第3章 共位卫星轨道隔离方法  42-67
  3.1 共位卫星约束条件分析  42-44
  3.2 轨道隔离方法  44-60
    3.2.1 经度隔离  44-46
    3.2.2 偏心率隔离  46-49
    3.2.3 偏心率、倾角隔离  49-60
  3.3 轨道根数的偏移对共位卫星隔离的影响  60-65
    3.3.1 平经度差偏移对共位卫星轨道隔离的影响  60-61
    3.3.2 平经度漂移率差偏移对共位卫星轨道隔离的影响  61-63
    3.3.3 偏心率矢量差偏移对共位卫星轨道隔离的影响  63-64
    3.3.4 倾角矢量差偏移对共位卫星隔离的影响  64-65
  3.4 各种隔离方法的比较分析  65-66
  3.5 小结  66-67
第4章 共位卫星轨道保持控制  67-99
  4.1 轨道机动  67-69
  4.2 南北保持控制  69-71
    4.2.1 南北保持  69-70
    4.2.2 倾角保持参数设置  70-71
  4.3 东西保持控制  71-85
    4.3.1 平经度保持  71-73
    4.3.2 偏心率保持  73-75
    4.3.3 二冲量东西保持控制  75-76
    4.3.4 东西保持参数设置  76-79
    4.3.5 东西保持参数优化  79-85
  4.4 同步/非同步控制  85-89
  4.5 仿真计算  89-98
  4.6 小结  98-99
第5章 共位卫星的相对轨道校正控制  99-113
  5.1 基于轨道根数差的共位卫星相对位置校正  100-105
    5.1.1 平面外相对位置校正  100-101
    5.1.2 平面内相对位置校正  101-105
  5.2 东西位置保持联合平面内相对位置校正  105-112
    5.2.1 三冲量东西保持控制求解  105-108
    5.2.2 仿真计算  108-112
  5.3 小结  112-113
第6章 共位卫星相对轨道确定  113-120
  6.1 共位卫星相对运动方程  114-115
  6.2 共位卫星相对测量  115-117
  6.3 仿真计算  117-119
  6.4 小结  119-120
第7章 总结与展望  120-123
  7.1 论文总结  120-122
  7.2 后续研究  122-123
参考文献  123-128
作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作  128-129
致谢  129

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制
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