嫦娥一号卫星的地月转移变轨控制
关于“嫦娥一号”、 “嫦娥二号”的物理题
关于“嫦娥一号”、“嫦娥二号”的物理题2010年10月1日，中国“嫦娥二号”卫星升空，引起人们极大关注。
嫦娥二号与嫦娥一号对比任务名称嫦娥一号嫦娥二号工程阶段探月一期探月二期运载火箭长征三号甲长征三号丙奔月形式先绕地球7天直飞月球到月时间 14天 5天图片分辨率 120米 10米绕月轨道 200公里 100公里关键技术地月转移轨道控制技术等四项地月转移轨道发射等六项除了直奔月球和近月飞行，相比嫦娥一号的任务，嫦娥二号的任务对运载火箭推力要求更大，入轨精度和控制精度要求更高。
嫦娥—号卫星于2007年10月24日成功发射，经过—年多稳定的在轨运行，实现了精确测控、精密变轨、成功绕月、有效探测等—系列目标，于2009年3月1日受控撞月，光荣地完成了自己的奔月使命。
嫦娥二号是嫦娥—号的备份星，由长三丙火箭发射，它的主要任务是为嫦娥三号实现月球着陆进行部分关键技术试验，并对嫦娥三号着陆区进行高精度成像。
与嫦娥—号相比，嫦娥二号最大的特点就是飞向月球更快了。
嫦娥—号环绕地球飞了7天，经过4次变轨，最终才飞向月球，而嫦娥二号将直接飞向月球，飞行时间大概需要120个小时。
2010年9月25日下午，在西昌卫星发射中心进行了嫦娥二号发射前第三次合成演练。
合成演练是近似实际发射状态的真实模拟。
当零号指挥员发出清晰的口令，拥抱嫦娥二号的二号发射架缓缓打开，通体洁白的嫦娥二号星箭组合体款款玉立在眼前。
在嫦娥二号卫星舱外，“中国探月”四个大字分外醒目，在火箭中部，清晰地标明了运载嫦娥二号卫星火箭的型号：“CZ-3C”，火箭底部有两个助推火箭排列左右。
10月1日18:59:57 嫦娥二号升空，19:25 星箭分离卫星入轨，2日03:39 首次地月成像，12:25 首次中途轨道修正，3日12:25 取消第二次中途修正计划，4日设备全开机，5日07:00 传回首批数据，6日11:38 第一次近月制动成功，7日13:30 轨道面机动完成，8日11点03分第二次近月制动完成，9日11:32:27第三次近月制动完成…关于“嫦娥一号”、 “嫦娥二号”的物理题， 也会引起老师和同学的关注：1．（2008年高考广东卷第12题 ）图如是“嫦娥一号奔月”示意图，卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨，进入地月转移轨道，最终被月球引力捕获，成为绕月卫星，并开展对月球的探测。
“嫦娥一号”绕月探测飞行成本分析
“嫦娥一号”绕月探测飞行成本分析背景：24日18时05分，在西昌这个被称为“月亮女儿的故乡”的地方，长征三号甲运载火箭托举着嫦娥一号卫星顺利升空——“嫦娥”就这样开始了奔月之旅。
在嫦娥一号卫星飞向38万公里外月球的漫长旅途中，需要进行一系列高度复杂又充满风险的动作。
“嫦娥奔月”的路线由绕地、地月转移、绕月三段拼接而成，需要卫星发动机点火10次来实现。
在绕地飞行段通过４次变轨，使卫星获得飞向月球的足够速度；在地月转移段，通过３次修正来精确瞄准月球；在绕月段通过３次近月制动来捕获月球，建立工作轨道。
从火箭点火发射，到卫星建立绕月圆轨道，大约需要330小时。
最后进入127分钟月球极月圆轨道。
这是科学家为“嫦娥”精心选择的“工作岗位”。
在这个离月球表面200公里的圆形轨道上，“嫦娥”将不分昼夜地辛勤工作１年。
关键词：直接成本、间接成本、嫦娥一号、财务成本、经济成本“嫦娥一号”发射成功体现了中国强大的综合国力以及相关的尖端科技，是中国发展软实力的又一象征，表明了中国在有效地掌握和利用太空巨大资源、实现科研创新、凝聚民心、增强国家竞争力等一系列远大目标的决心与行动。
嫦娥一号在十七大胜利闭幕之际成功发射升空，无疑是对中共十七大献礼的最好礼物。
这将极大的振奋全国人民的民族精神，提高中共的执政威信。
一.关于财务成本和经济成本:本研究根据卫星研制与发射过程中的消耗分别测算了财务成本（政府的投入）和经济成本（开展活动消耗的资源总量），从2004年初立项研制，到2007年10月实施发射，绕月探测工程总投资14亿元人民币，包括研究费用在内的各项费用，这些投资都属于财务成本。
经济成本所涉及的方面很广，其中绕月探测工程的卫星、火箭、发射场、测控、地面应用五大系统中直接参与工程的科研人员约5000人，加上管理人员和相关单位的协作人员，共约10000人，整个过程动员了大量的人力资源。
发射选在了西昌卫星发射中心，在火箭发射的准备阶段，需要大型载重汽车进行火箭的搬运，还需要人力进行装配，同时整个发射过程需要气象部门的紧密协作，密切关注地面天气和所谓“太空天气”的变化，为“嫦娥一号”的发射与绕月飞行提供帮助。
高考物理中卫星变轨问题分析
206教育管理与艺术 2014年第2期课案赏析情景一：上午，小朋友们陆陆续续地喝完了水，准备坐到红色的蒙氏线上，就要进入学习活动了。
这时，只见飞飞小朋友推着自己的小椅子在寻找地方。
这时，小椅子发出“吱吱吱”的声音，而飞飞却一点儿也没有察觉，一直推到自己要坐的地方，然后放好椅子坐了下来。
情景二：午饭时间，小朋友们都正津津有味地吃着午饭。
“嘭——嘭——嘭”，活动室的一角里传来一阵异样的声音。
顺着声音看去，原来是飞飞倚着桌子，坐着椅子的一小半，身子向前倾时，椅子不时地敲击地面发出的声音。
他还在美美地吃着，丝毫没有发现自己的行为。
午饭后，小朋友们要搬着小椅子来到走廊里看书。
11：40，大多数小朋友都吃完了。
眼前一下子变得忙碌起来，有的是一只手拖着小椅子走；有的是一只手拎着椅子，摇摇晃晃地走着；有的坐也不坐起来，就直接拖着椅子走；有的像飞飞一样推着小椅子走……还不时发出椅子与椅子之间、椅子与地板之间“哧哧哧”的声音。
情景三：下午起床后，小朋友们陆陆续续地喝完了水、吃完了水果，开始坐到小椅子上面看书。
飞飞今天吃得很快，一会儿就吃完了，然后就推着他的小椅子去看书了。
然后，飞飞就把自己的一条腿抬起来放在了椅子的后背上，还不停地摇晃。
一会儿又换了哭泣的小椅子中国科学院第三幼儿园 吴兴华另一条腿，仍然不停地晃悠着。
“哎呀，真可怜呀！”我满脸疼惜的表情。
顿时，小朋友们都投来了惊讶的目光。
“小吴老师，怎么了？”“发生什么事情了？”“刚才，小椅子对我说：‘它有时候要被人摔，有时候要被人踢，有时候要被人拖着走，有时候又撞得青一块紫一块的。
现在，满身都是伤痕，快要疼死了’。
”“啊?小椅子也会疼？”“是不是我们太不小心了？”“肯定是有人不轻轻地拿、轻轻地放，才会这样的。
”“小椅子也是有感情的，我们怎么忘记了呢？”……“飞飞，你想和小椅子成为好朋友吗？”他点点头，又突然意识到了自己刚才的行为，有点儿害羞，然后愣在了那里。
“小椅子是我们大家的好朋友，它也想和每位小朋友成为好伙伴。
高考物理计算题复习《卫星变轨问题》(解析版)
《卫星变轨问题》一、计算题1.轨道进入停泊轨道，在停泊轨道经过调速后进入地月转移轨道，再次调速后进入工作轨道。
已知卫星在停泊轨道和工作轨道的运行半径分别为a和b，地球半径为R，月球半径为r，地球表面重力加速度为g，月球表面重力加速度为。
求：地球与月球质量之比；卫星在停泊轨道上运行的线速度；卫星在工作轨道上运行的周期。
2.2班做“神舟六号”载人飞船于2005年10月12日上午9点整在酒泉航天发射场发射升空由长征运载火箭将飞船送入近地点为A、远地点为B的椭圆轨道上，A 点距地面的高度为，飞船飞行五圈后进行变轨，进入预定圆轨道，如图所示在预定圆轨道上飞行N圈所用时间为t，于10月17日凌晨在内蒙古草原成功返回已知地球表面重力加速度为g，地球半径为求：飞船在A点的加速度大小．远地点B距地面的高度．沿着椭圆轨道从A到B的时间．3.如图为某飞船先在轨道Ⅰ上绕地球做圆周运动，然后在A点变轨进入返回地球的椭圆轨道Ⅱ运动，已知飞船在轨道Ⅰ上做圆周运动的周期为T，轨道半径为r，椭圆轨道的近地点B离地心的距离为，引力常量为G，飞船的质量为m，求：地球的质量及飞船在轨道Ⅰ上的线速度大小；若规定两质点相距无限远时引力势能为零，则质量分别为M、m的两个质点相距为r时的引力势能，式中G为引力常量求飞船在A点变轨时发动机对飞船做的功．4.如图所示，“嫦娥一号”卫星在飞向月球的过程中，经“地月转移轨道”到达近月点Q，为了被月球捕获成为月球的卫星，需要在Q点进行制动减速制动之后进入轨道Ⅲ，随后在Q点再经过两次制动，最终进入环绕月球的圆形轨道Ⅰ已知“嫦娥一号卫星”在轨道Ⅰ上运动时，卫星距离月球的高度为h，月球的质量月，月球的半径为月，万有引力恒量为忽略月球自转，求：“嫦娥一号”在Q点的加速度a．“嫦娥一号”在轨道Ⅰ上绕月球做圆周运动的线速度．若规定两质点相距无际远时引力势能为零，则质量分别为M、m的两个质点相距为r时的引力势能 —，式中G为引力常量．为使“嫦娥一号”卫星在Q 点进行第一次制动后能成为月球的卫星，同时在随后的运动过程其高度都不小于轨道Ⅰ的高度h，试计算卫星第一次制动后的速度大小应满足什么条件．5.如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为的近地轨道Ⅰ上在卫星经过A点时点火实施变轨，进入远地点为B的椭圆轨道Ⅱ上，最后在B点再次点火，将卫星送入同步轨道Ⅲ已知地球表面的重力加速度为g，地球自转周期为T，地球的半径为R，求：卫星在近地轨道Ⅰ上的速度大小；点距地面的高度．6.为了探测X星球，载着登陆舱的探测飞船在该星球中心为圆心，半径为的圆轨道上运动，周期为，总质量为。
嫦娥一号卫星地月转移轨道中途修正分析
Ａｂｓｒ ｃ ＣＥ一 ｔ ａ ｔ： １，ｔ ｅ Ｃｈ ｎ ｓ ｒｔｌ ｎａ ｘ ｌ ｒ ｔｏ ａｅ ｌ ｅ，ｗａ ｕ ｃ ｓｆ ｌｙ ｌ ｕ ｃ ｅ ｎ ２ ｔ ２ ０ ｈ ｉ ｅ ｅ ｆ ｓ ｕ ｒｅ ｐ ｏ ａ ｉｎ ｓ ｔ ｌｉ ｉ ｔ ｓｓ ｃ ｅ ｓｕ ｌ ａ ｎ ｈ ｄ ｏ ４ Ｏｃ ． ０ ７
认 识 。
关键词 ： 月球探 测 ；月球 卫星 ；调 相轨 道 ；地 月转移 轨道 ； 中途修 正机 动
中 图分 类 号 ： ４ ． Ｖ４ ８２ 文 献标 识码 ： Ａ
文 章编 号 ：６ ４１ ７ （０ ８ ０ ￣ ０ —５ １７ —５ ９ ２ ０ ） ６ ０ ３０
Ａｎ ｌｓ ｎ Ｍ ｉｃ ｕ ｓ ｏ ｒ ｃｉｎ ｏ ａ ｓ ｎ ｒＴ ａｅｔｒ ｏ Ｅ－ ａｙｉ ｏ ｄ ｏ ｒｅＣ ｒ ｅｔ ｆＴｒｎ ｌ ａ ｒｊｃｏ ｙｆｒＣ １ ｓ ｏ ｕ
后 ， 近地 点进 行第 一 次 轨 道 机 动将 轨 道 周 期 变 成 在
１ 引 言
２０ ０ ７年 １ ０月 ２ ４日， 中国第 一 颗 月球 探 测 卫 星 “ 娥一 号 ” 功 发 射 ， 过 １ 嫦 成 经 ４天 的 飞 行 于 １ １月 ７
嫦娥一号在空间的多次变轨
嫦娥一号在空间的多次变轨“月球离地球的平均距离为38万公里，远远超过我们几十年近地空间的活动范围。
除了距离远以外，还从二体运动变成了三体运动。
”绕月探测工程总设计师孙家栋院士认为，整个“嫦娥”奔月过程中，能否顺利沿着预定轨道飞行，是重中之重。
卫星起飞以后，在近地空间主要受地球引力的影响，当它脱离地球一定距离以后，地球、月球都对其产生影响，越接近月球空间，月球的影响就越大；在卫星长距离飞行同时，月球也要运动很长一个距离，种种因素都带来了轨道设计、测量和控制的难题。
“这是我国航天器第一次飞到月球的轨道上，因此这个轨道与常规的地球轨道设计有所不同，要考虑到月球引力场等新的因素，并且还要设计好飞往月球和被月球捕获的交汇过程。
”嫦娥一号卫星系统副总设计师孙泽州介绍说，轨道难点主要体现在变轨方面。
“嫦娥一号”送入到地球超同步卫星轨道后，在绕地、地月飞行过程中会有多次变轨。
“之所以采取多次变轨，一方面是能通过多次变轨在上腾出精确调整的余地；另一方面也可以节省燃料。
”孙泽州说。
“每一次变轨都用到推进剂。
这次推进剂一共带了1.2吨，还要用于围绕月球旋转，这样火箭推进剂的余量就很紧张。
轨道窗口越窄，走得就越痛快，很宽的话要花费很多的推进剂。
由于推进剂有限，因此轨道的每个环节都要设计好，这也是我们对发射日、发射时、轨道运行要求都非常严的一个主要原因。
”绕月探测工程总指挥栾恩杰说。
绕地球飞行过程中，对“嫦娥一号”主要采用了调相轨道的设计思想，就是在卫星绕地球转动过程中等待月球飞过来，再进入地月转移轨道。
调相轨道可以使卫星逐步获得速度增量奔向月球，减少在大的速度增量变化中引起重力损耗等影响。
“选择什么样的轨道，是调相轨道还是直接送入地月转移轨道，经过比较，最终确定了现在的方案。
”孙泽州说。
“轨道的设计过程有一些特点。
”孙泽州说，要把地月转移轨道和调相轨道分段设计，再进行拼接，最终要求是到达环月轨道。
然后再倒推什么时候从地球进入地月转移轨道，以及星箭分离等参数。
嫦娥一号探月中的控制技术
嫦娥一号探月中的控制技术嫦娥一号卫星是我国第一个月球探测卫星,其研制和发射是我国深空探测活动的开端。
嫦娥一号卫星共有11个分系统组成:即总体,测试两个综合分系统;平台部分的结构,热控,制导、导航与控制、能源、推进、数据管理(OBDH)、测控数传、定向天线八个分系统及有效载荷分系统。
本文主要对嫦娥一号GNC（制导、导航与控制）系统进行粗略分析。
嫦娥一号卫星GNC系统完成了许多复杂任务。
在调相轨道,GNC系统执行一系列姿态机动和轨道控制,使卫星在适当时间转入地月转移轨道。
在地月转移轨道,GNC系统保证卫星对太阳定向,并执行几次轨道中途修正,使卫星捕获预定环月轨道起始点。
在月球轨道捕获阶段, GNC系统执行几次轨控发动机点火,使卫星捕获月球轨道并进入标称环月轨道。
在环月轨道, GNC系统使卫星本体对月球定向、太阳帆板对太阳定向、定向天线对地球定向。
嫦娥一号卫星GNC系统的敏感器包括太阳敏感器、星敏感器、紫外月球敏感器、速率积分陀螺和加速度计;执行机构包括飞轮装置、推力器、帆板驱动装置、天线驱动装置和轨控发动机;控制器包括控制计算机、应急计算机、配电器和二次电源。
GNC系统的软件包括控制计算机系统软件、应用软件,应急软件和部件LTU软件。
LTU通过内部总线与控制计算机相连,构成计算机控制网络。
控制系统的这种分布式体系结构保证GNC分系统高效、可靠、实时地实现嫦娥一号卫星的控制功能和性能。
1、巡航期间的姿态控制在卫星环月运行之前,除了轨控阶段,卫星运行于巡航姿态。
姿态确定是利用太阳敏感器的输出给出太阳矢量方向在卫星本体系的表示,然后根据太阳敏感器的安装矩阵计算卫星偏航角和俯仰角。
巡航姿态角速度的确定是利用速率积分陀螺的输出,然后根据陀螺的安装矩阵计算卫星三轴姿态角速度。
巡航姿态的控制分为太阳捕获和太阳定向两个阶段:在太阳捕获阶段,太阳敏感器输出,利用相平面控制算法,通过推力器点火驱使卫星旋转使太阳矢量进入数字太阳敏感器视场;在太阳定向阶段,通过数字太阳输出和陀螺输出外推,根据系统动力学,利用相平面控制算法和PID控制算法,通过推力器点火和飞轮转动保证卫星Xs轴指向太阳。
新教材高中物理章末综合测评3万有引力与宇宙航行(含解析)新人教版必修
章末综合测评(三) 万有引力与宇宙航行(时间：90分钟 分值：100分)1．(4分)在物理学建立、发展的过程中，许多物理学家的科学发现推动了人类历史的进步。
关于科学家和他们的贡献，下列说法中错误的是( )A ．德国天文学家开普勒对他的导师——第谷观测的行星数据进行了多年研究，得出了开普勒三大行星运动定律B ．英国物理学家卡文迪什利用“卡文迪什扭秤”首先较准确地测定了万有引力常量C ．伽利略用“月—地检验”证实了万有引力定律的正确性D ．牛顿认为在足够高的高山上以足够大的水平速度抛出一物体，物体就不会再落在地球上 C [根据物理学史可知C 错误，A 、B 、D 正确，C 符合题意。
]2．(4分)已知地球质量为月球质量的81倍，地球半径约为月球半径的4倍。
若在月球和地球表面同样高度处，以相同的初速度水平抛出物体，抛出点与落地点间的水平距离分别为s 月和s 地，则s 月∶s 地约为( )A ．9∶4B ．6∶1C ．3∶2D ．1∶1A [设地球质量为M ′，半径为R ′，地球表面的重力加速度为g ′，月球质量为M ，半径为R ，月球表面的重力加速度为g 。
已知M ′M ＝81，R ′R ＝4，忽略天体自转，由万有引力等于重力得GMmR2＝mg ，则有g ＝GM R 2，因此g g ′＝1681。
由题意知从同样高度处抛出物体，有h ＝12gt 2＝12g ′t ′2，联立解得t ′＝49t ，物体在地球上的水平位移s 地＝v 0t ′，物体在月球上的水平位移s 月＝v 0t ，因此s 月∶s 地＝t ∶t ′＝9∶4，故A 正确。
]3．(4分)如图所示，在同一轨道平面上的几个人造地球卫星A 、B 、C 绕地球做匀速圆周运动，某一时刻它们恰好在同一直线上，下列说法中正确的是( )A ．根据v ＝gr 可知，运行速度满足v A >vB >vC B ．运转角速度满足ωA >ωB >ωC C ．向心加速度满足a A <a B <a CD ．运动一周后，A 最先回到图示位置C [由GMm r 2＝m v 2r 得v ＝GM r ，r 大则v 小，故v A <v B <v C ，选项A 错误；由GMm r 2＝m 4π2T 2r 得r 3T 2＝GM4π2，r 大则T 大、ω小，故ωA <ωB <ωC ，选项B 、D 错误；由GMm r 2＝ma 得a ＝GMr2，r 大则a 小，故a A <a B <a C ，选项C 正确。
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空间控制技术与应用Aerospace Con tro l and Applicati o n 第34卷 第1期2008年2月嫦娥一号卫星的地月转移变轨控制宗 红,王淑一,韩 冬,王大轶,李铁寿,张洪华,黄江川(北京控制工程研究所,北京100080)摘 要:文章阐述了嫦娥一号卫星地月转移阶段(从星箭分离到进入使命轨道)的高可靠、高精度自主变轨控制方案,介绍了飞行轨道、轨控策略及控制参数优化、星上自主变轨控制的系统设计和相关参数的地面标定等,给出了在轨飞行试验的验证结果。
关键词:嫦娥一号卫星;地月转移;轨道控制;自主变轨控制中图分类号:V446 1;V448.22 文献标识码:A 文章编号:1674 1579(2008)01 0044 07O rbitM aneuver C on tro l duri ng C isl unar T ransfer Phase for CE 1SpacecraftZ ONG H ong ,WANG Shuy,i HAN Dong ,WANG Day ,i LI T ieshou ,Z HANG H onghua ,HUANG Ji a ngchuan(B eijing Instit u te of Control Engineering,B eijing 100080,China )Abst ract :A high l y re liab le and accura te on board contro l syste m design sche m e is presented for the or b it m aneuvers o f CE 1spacecraft duri n g its cisl u nar transfer phase .F li g ht trajectories ,or b it transferstrateg i e s and para m eter opti m ization ,on board autono m ous m aneuver control procedures and para m eter cali b erations are addressed.Flight verification resu lts are g i v en as w e l.lK eyw ords :CE 1spacecraf;t cisl u nar transfer ;orbit contro;l autono m ous or b it m aneuver收稿日期:2007 12 11作者简介:宗红(1971-),女,北京人,高级工程师,主要从事飞行器制导导航控制的研究工作(e ma i :l zongh @bice .org .cn)。
1 引 言嫦娥一号卫星于北京时间2007年10月24日18时05分04秒由长征三号甲运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。
经过一次远地点变轨和三次近地点变轨,嫦娥一号于10月31日进入地月转移轨道,并于11月5日准确按计划完成第一次近月制动,成为中国第一颗月球卫星。
又经过两次变轨后,她终于到达离月面200k m 的通过月球两极上空的圆形工作轨道。
嫦娥一号卫星与月球轨道交会过程中地月转移变轨控制至关重要,特别是第三次近地点加速和第一次近月点制动两次关键变轨,其控制窗口具有唯一性和短暂性,必须保证按飞行计划及时、准确地完成各次变轨控制。
为此,嫦娥一号卫星采用星上自主定姿、自主姿态控制、自主开/关变轨发动机、自主故障检测以及快速恢复轨控的自主变轨控制方案,由地面配合进行轨控参数优化及推力标定和加速度计标定,并采取保证变轨精度的系统设计,出色地完成了地月转移过程中的各项轨控任务。
文中所指的地月转移阶段是指从星箭分离开始到进入使命轨道的整个过程。
本文介绍了嫦娥一号卫星地月转移阶段的飞行轨道和变轨策略、轨道控制大系统、星上自动变轨控制的设计、变轨控制参数的计算和标定、保证变轨精度的其它措施以及飞行验证结果。
2 地月转移飞行轨道及控制要求2.1 在地月系统中的标称飞行轨道嫦娥一号卫星的地月转移阶段,包括调相轨道、地44第1期宗 红等:嫦娥一号卫星的地月转移变轨控制月转移轨道和绕月轨道。
飞行轨道如图1所示[1]。
嫦娥一号卫星由长征三号甲运载火箭送入近地点200km 、远地点51000km 的大椭圆轨道(超GTO)。
调相轨道任务是将超GTO 轨道变为远地点约400000km 的地月转移轨道。
星箭分离后,卫星在周期16小时的超GTO 轨道上运行一圈半后,在远地点做一次小的轨道机动,将轨道近地点高度变为600km,再运行一圈半,在近地点进行第一次大的轨道机动,将轨道周期变为约24小时,接着运行1~3圈后,进行第二次近地点变轨,将轨道周期变为约48小时。
运行1圈后,在调相轨道运行结束到达最后一个近地点时,进行第三次近地点变轨,使卫星进入地月转移轨道。
地月转移轨道共飞行114小时,是接近燃料消耗最少的转移轨道。
在转移轨道飞行途中一般都需进行若干次轨道修正,正常情况下是2~3次,一次在离开近地点后的24小时以内完成,最后一次是在到达近月点前的24小时以内完成。
卫星到达近月点后,为了使其变为绕月飞行的月球卫星,需要在近月点进行3次减速机动。
依次将轨道周期变为12小时、3.5小时和127分钟,最终进入使命轨道。
图1 嫦娥一号卫星飞行轨道示意图2.2 对轨道控制的要求科学探测要求嫦娥一号卫星的工作轨道为高度200km 25k m,相对于月球赤道的倾角为90 5 。
为了到达这一工作轨道,嫦娥一号飞行过程中要经历8~10次轨道控制,包括1次远地点变轨、3次近地点变轨、1~3次中途修正和3次近月点制动。
在进入地月转移轨道时,很小的初始速度误差就会导致到达近月点时出现几千千米的位置误差,初始速度误差越大,轨道修正所需的燃料就越多。
此外,由于卫星在近地点的高度低、速度快,若轨道控制的误差较大,就会导致近地点位置发生变化,这时地面就不能保证连续的测控条件,因此嫦娥一号的轨道控制必须足够精确。
地月转移轨道的入口和第一次近月点制动都具有唯一性。
地月转移轨道入口要求必须在特定的时间从特定的位置上进入转移轨道,否则不能按照预定计划与月球交会;第一次近月点制动则要求必须在近月点附近进行减速,否则卫星将飞离月球。
如果这两次变轨中任何一次失利,要想重新到达月球附近就需要花费大量的燃料和时间,甚至根本无法实现。
为确保变轨按计划及时执行,考虑到恶劣情况,在没有地面测控支持时,卫星也要具有一定自主变轨的能力。
基于上述考虑,对嫦娥一号卫星的轨道控制提出了精确性和及时性的要求,同时也要具备一定的自主性。
3 星地大回路轨道控制嫦娥一号卫星轨道控制由星上和地面共同完成。
星上部分主要是制导、导航和控制(GNC )分系45空间控制技术与应用34卷统及推进分系统的相关设备,包括姿态敏感器(星敏感器和陀螺)、计算机和执行机构(变轨发动机和姿态控制推力器)等,并依靠测控数传分系统同地面保持上、下行通信联系。
地面部分主要包括各测控站(船)的跟踪、遥测和遥控设备以及位于北京的航天飞行控制中心。
卫星飞行各阶段,由地面进行精确的轨道测量。
获取测距、测速数据和甚长基线干涉(VLB I)系统的测角数据。
飞控中心处理观测数据,确定轨道参数。
由此在地面制定轨道控制策略,计算优化的变轨控制参数,并适时将有关数据注入星上计算机。
卫星根据注入的变轨控制参数自动地进行姿态机动、变轨姿态保持、发动机开关机和巡航姿态恢复等控制过程。
轨道机动完成后,地面再进行轨道测量和确定、对轨控效果进行标定和评估以及制定后续的轨控策略,从而构成星地大回路轨道控制。
4 变控制参数计算和推力标定如前所述,在变轨控制实施过程中,在地面进行的轨控参数计算和轨控后相关参数标定是必不可少的步骤。
4.1 变轨控制的约束条件变轨控制主要考虑以下约束条件:1)燃料消耗:嫦娥一号卫星携带的燃料量有限,所能提供的总速度增量受到限制;2)测控范围:虽然卫星具有一定的自主变轨能力,但是出于安全性考虑,仍希望整个变轨过程都在地面实时监视下进行,而轨道控制时这样的条件不一定能够满足,因此制定轨控策略时要考虑这一次轨控及后续轨控的地面测控条件;3)卫星能源:卫星轨控过程中,可能处于地球或月球阴影中,或者帆板不一定能够对准太阳,此时卫星依靠电池供电,这要求轨道控制整个过程不能超过电池供电的最长时间。
在不同的阶段和不同的情况下,这些约束条件的重要性不同。
在调相轨道阶段主要考虑测控范围的限制;在近月制动时主要考虑卫星能源;在发生故障而需要重新设计轨控策略时主要考虑燃料消耗约束。
4.2 点火姿态和角速度的选择轨控参数计算时,根据轨控的目标,在满足测控条件的约束下对轨控开机时刻、轨控姿态和轨控时长等参数进行优化,使得在达到目标轨道的同时消耗燃料最少。
同时星上还具备匀速转动变轨的能力,轨控过程中推力方向在空间按一定的角速度旋转,可以进一步减少轨控的燃料消耗。
为了保证轨控过程中星敏感器不受日光、月光和地气光干扰,轨控姿态在保证+X(变轨推力)方向的情况下,可以绕+X轴旋转一定的角度以寻找合适的姿态。
4.3 有限推力轨道控制参数计算在制定轨道控制策略时,按照脉冲变轨方式进行计算,计算过程中只有一个未定变量,即速度增量的大小。
轨道控制策略确定后再按照有限推力方式计算当前这一次轨控的控制参数。
有限推力轨控时需要确定两个变量:轨控开机时刻、轨控关机时刻/开机时长。
轨控开机时刻的选择:一般情况下,有限推力变轨以近地(月)点为中点,前后各取一半的点火时间。
也可以调整开机时刻使轨道的近地点幅角达到期望的目标,这时就要采用牛顿迭代法来调整开机时刻。
轨控关机时刻的选择:首先由脉冲变轨给出关机时刻的初始值,然后再用数值迭代的方法进行精确计算。
迭代时要考虑测控条件的约束,若不满足测控条件的约束,则对关机时刻进行修正,以满足轨控时的测控约束。
对于近月点制动,关机时刻比较容易确定,只需从开机时刻开始,数值积分到轨道半长轴满足预定目标即可。
4.4 加速度计和发动机推力的在轨标定加速度计测量量本身包含零位偏差和脉冲当量误差,如不考虑这些偏差将影响轨道控制精度。
为保证轨控的准确性,需要对加速度计进行标定并给予补偿。
加速度计的在轨标定分为两个方面,一是对加速度计零位偏差的标定。
每次轨控前,统计卫星没有喷气的时间段内加速度计的数据,给出平均值,作为加速度计的零位偏差,以便在轨控中对使用加速度计数据计算的卫星速度增量进行补偿。
二是利用定轨数据对加速度计的刻度系数进行标定。
每次变轨结束后,依据地面测、定轨后给出的变轨过程中的速度增量 V和变轨过程中利用加速度计累计的速度增量,计算加速度计脉冲当量标定系数,在下一次变轨策略计算中对卫星变轨速度增量进行补偿,以提高轨控精度。