导航卫星轨道控制方法研究

摘要 (i)

ABSTRACT (ii)

第一章绪论 (1)

1.1课题背景及研究意义 (1)

1.2导航卫星的轨道分类 (2)

1.3国内外研究现状及分析 (2)

1.3.1 主要轨道理论 (3)

1.3.2 主要轨道控制理论 (4)

1.3.3 主要轨道控制方式 (6)

1.3.4 研究的理论方法 (7)

1.4本文的研究内容和结构安排 (8)

第二章轨道控制基础 (10)

2.1轨道控制模型 (10)

2.2轨道控制时刻特征点 (15)

2.3轨道控制的仿真流程框架 (17)

2.4本章小结 (18)

第三章 MEO卫星相位保持 (19)

3.1MEO卫星相位演化 (19)

3.1.1卫星的轨道相位演化 (19)

3.1.2星座的相对相位演化 (20)

3.2MEO卫星相位变化数值仿真 (21)

3.3MEO绝对相位保持策略 (21)

3.4MEO相对相位保持策略 (22)

3.4.1MEO相对相位保持策略一 (22)

3.4.2MEO相对相位保持策略二 (23)

3.5MEO卫星相位的漂移及控制 (29)

3.6本章小结 (35)

第四章 IGSO同步轨道保持 (36)

4.1IGSO同步轨道升交点位置的摄动分析 (36)

4.2IGSO卫星升交点位置的漂移分析 (39)

4.3IGSO卫星升交点位置保持策略 (39)

4.4轨道控制仿真与分析 (40)

4.4.1 IGSO卫星升交点经度的漂移 (40)

4.4.2 IGSO轨道控制速度增量的计算 (47)

4.4.3 IGSO轨道控制结果 (48)

4.4.4 IGSO轨道控制仿真分析 (50)

4.5本章小结 (52)

第五章 GEO卫星定点保持 (53)

5.1静止卫星位置保持 (53)

5.1.1 位置保持 (53)

5.1.2 卫星位置漂移原理 (54)

5.2静止卫星位置保持控制策略 (55)

5.2.1 东西向位置保持策略 (56)

5.2.2 南北向位置保持策略 (56)

5.3仿真及结果分析 (56)

5.4本章小结 (59)

结束语 (60)

致谢 (62)

参考文献 (63)

作者在学期间取得的学术成果 (67)

表目录

表3.1 卫星的相位及偏移量 (21)

表3.2 模拟用的一组轨道半长轴偏差 (32)

表3.3 星座的相对站点保持结果 (32)

表3.4 MEO卫星在虚拟坐标系中的初始状态 (33)

表4.1 IGSO卫星交叉点位置的漂移量 (39)

表4.2 四次控制的的相关参数 (47)

表4.3 双脉冲轨道控制的速度增量表 (48)

表5.1 静止卫星东西向位置保持策略 (57)

表5.2 静止卫星南北向位置保持 (58)

图目录

图1.1 导航卫星控制系统框图 (8)

图2.1 轨道控制流程 (17)

图3.1 虚拟卫星坐标系 (24)

图3.2 入轨偏差和摄动引起的相位变化 (30)

图3.3 不同入轨偏差下的相位变化 (30)

图3.4 实际MEO卫星与标称轨道卫星漂移情况 (31)

图3.5 虚拟卫星的设置 (33)

图3.6 相位控制过程仿真结果 (34)

图3.7 控制时间自由的相仿真结果 (35)

图4.1 升交点经度漂移环运动 (40)

图4.2 无控情况下升交点经度随时间的变化曲线 (40)

图4.3 无控状态下的轨道星下点漂移 (41)

图4.4 无控状态下的轨道星下点漂移 (42)

图4.5 无控状态下交叉点局部放大图 (42)

图4.6 第一次控制后的轨道星下点漂移 (43)

图4.7 第一次控制后交叉点局部放大图 (43)

图4.8 第二次控制后的轨道星下点漂移 (44)

图4.9 第二次控制后交叉点局部放大图 (44)

图4.10 第三次控制后的轨道星下点漂移 (45)

图4.11 第三次控制后交叉点局部放大图 (45)

图4.12 第四次控制后的轨道星下点漂移 (46)

图4.13 第四次控制后交叉点局部放大图 (46)

图4.14 卫星经过四次控制后星下点轨迹 (48)

图4.15 卫星经过四次控制后卫星轨道交叉点局部放大图 (49)

图4.16 第一次控制后的轨道星下点漂移 (50)

图4.17 第一次控制后交叉点局部放大图 (50)

图4.18 第二次控制后的轨道星下点漂移 (51)

图4.19 第二次控制后交叉点局部放大图 (51)

图5.1 静止轨道定点位置保持 (57)

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文

摘要

卫星导航系统担负定位、导航的任务，其精度必须要有保证。由于在轨运行的导航卫星受摄动力的影响，其轨道参数不断的变化，对各类导航卫星的导航定位的精度有很大的影响，要长期的保持卫星导航系统的正常工作，必须对其进行轨道控制，使各种导航卫星的轨道参数保持在设计标称值附近。

本文在分析轨道摄动的基础上建立空间飞行器轨道摄动方程，针对导航卫星的控制，还介绍了小推力控制方法以及轨道控制过程中时间点的选择。

对MEO的控制首先在理论上探讨MEO卫星的相位演化过程，然后在考虑摄动力的影响下，对MEO卫星进行仿真计算。对MEO卫星的控制策略有绝对控制方法和相对控制方法。考虑到控制次数与燃料的有限性，采用相对控制方法，该控制策略能有效的保持MEO卫星正常的在轨运行，从而确保卫星导航系统的精度。在相对控制的基础上进行了最优控制的仿真，在时间自由的情况下，可实现燃料最优的控制结果。

对IGSO的控制，首先分析了IGSO卫星在摄动力的影响下，轨道升交点位置的漂移。进而理论上分析升交点位置的漂移率。IGSO升交点的控制由偏置轨道半长轴来实现，在升交点位置的漂移率的基础上确定要偏置轨道半长轴，以此确定轨道控制过程中的两个速度冲量，偏置轨道半长轴的脉冲推力方法能实现IGSO卫星升交点的位置保持。仿真表明小推力方法较脉冲推力方法较好，但在过程实践中脉冲推力方法比小推力方法简单易行，在工程中容易实现。

GEO卫星的定点保持，卫星南北向运动幅值仅依赖于轨道倾角，而东西运动依赖于漂移率、平经度及偏心率。对GEO采用东西向位置保持要考虑平经度及偏心率的控制；南北位置保持一般在轨道的升交点或降交点附近进行，具体取决于发动机安装位置。

论文系统的研究了各类导航卫星的控制，包括导航卫星受摄动力的影响，导航卫星的控制策略以及控制方法，结合仿真结果表明，对各类导航卫星的控制达到卫星导航系统正常运行的要求，论文开展的工作对卫星导航系统的维护具有一定的借鉴意义。

主题词：卫星导航；MEO卫星；IGSO卫星；GEO卫星；轨道控制