本發(fā)明涉及一種設計方法，特別是涉及一種近地傾斜軌道發(fā)射窗口快速設計方法。

背景技術：

近地傾斜(非太陽同步)軌道衛(wèi)星具有遍歷、凍結(jié)、低緯度覆蓋好等諸多特點，適用多種應用場景，已越來越多得被衛(wèi)星設計者采用。與太陽同步軌道每天發(fā)射窗口相同的特點不同，非太陽同步軌道的每日發(fā)射窗口均不相同。對于窗口的計算，目前普遍采用的遍歷計算方法依次判定每一個時間微元對應的軌道特性是否符合設計約束，整理所有符合條件的微元集合稱為發(fā)射窗口。此種方法隨簡單可靠，但計算量大，倘若進行一整年的窗口計算，其計算時間長，精度也收到微元大小的影響。

隨著航天技術的發(fā)展，衛(wèi)星研制周期的縮短、研制任務的增加，由于傳統(tǒng)設計方法設計速度慢、設計精度不足的問題，已不能滿足現(xiàn)階段衛(wèi)星設計需求。為此，有必要開發(fā)一種能夠確保計算精度的快速的算法，令總體任務規(guī)劃者在無需熟悉軌道專業(yè)知識的情況下，仍能對發(fā)射窗口進行快速精準的設計，提高研制效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種近地傾斜軌道發(fā)射窗口快速設計方法，其能夠梳理典型發(fā)射窗口約束，輸入、輸出明確，獨立對各約束進行計算后進行匯總，便于增減約束的二次開發(fā)，便于衛(wèi)星總體設計人員對發(fā)射窗口進行快速設計，并確保設計精度。

本發(fā)明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種近地傾斜軌道發(fā)射窗口快速設計方法，其包括下列步驟：

步驟一，設置計算條件，包括計算時間段、組網(wǎng)條件約束、光照角及其變化方向條件約束、衛(wèi)星入軌彈道；

步驟二，一次性計算在指定時間段內(nèi)所有滿足組網(wǎng)條件約束的所有窗口的前后沿區(qū)間，以儒略日形式給出，供后續(xù)環(huán)節(jié)調(diào)用；

步驟三，一次性計算在指定時間段內(nèi)所有滿足光照條件約束的所有窗口的前后沿區(qū)間，以儒略日形式給出，供后續(xù)環(huán)節(jié)調(diào)用；

步驟四，按日期歸并前后沿區(qū)間，輸出近地傾斜軌道發(fā)射窗口設計方案。

優(yōu)選地，所述步驟二和步驟三中的組網(wǎng)條件約束和光照條件約束均統(tǒng)一至TrueOfDate坐標系進行記錄。

優(yōu)選地，所述步驟二中的組網(wǎng)條件約束以兩星升交點赤經(jīng)差別的區(qū)間作為設計約束，一次性給出指定時間段內(nèi)所有滿足約束區(qū)間上下限對應的發(fā)射窗口前后沿集合。

優(yōu)選地，所述步驟二中的組網(wǎng)條件約束，其約束過程具有高精度軌道遞推能力，在低軌星座任務中，采用任一歷元下的已在軌衛(wèi)星參數(shù)均可作為輸入直接參與后續(xù)星的窗口設計。

優(yōu)選地，所述步驟三中的光照條件約束直接使用軌道面光照角作為輸入。

優(yōu)選地，所述光照條件約束僅通過約束區(qū)間上下限計算窗口前后沿，并通過算法判斷屬于前沿或是后延，按邏輯進行歸類。

本發(fā)明的積極進步效果在于：本發(fā)明能夠梳理典型發(fā)射窗口約束，輸入、輸出明確，獨立對各約束進行計算后進行匯總，便于增減約束的二次開發(fā)，便于衛(wèi)星總體設計人員對發(fā)射窗口進行快速設計，并確保設計精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程框圖。

圖2為本發(fā)明的光照約束的窗口計算框圖。

圖3為軌道根數(shù)到位置速度的轉(zhuǎn)換關系的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。

如圖1至圖3所示，近地傾斜軌道發(fā)射窗口快速設計方法包括下列步驟：

步驟一，設置計算條件，包括計算時間段、組網(wǎng)條件約束、光照角及其變化方向條件約束、衛(wèi)星入軌彈道等信息；

步驟二，一次性計算在指定時間段內(nèi)所有滿足組網(wǎng)條件約束的所有窗口的前后沿區(qū)間，以儒略日形式給出，供后續(xù)環(huán)節(jié)調(diào)用；

步驟三，一次性計算在指定時間段內(nèi)所有滿足光照條件約束的所有窗口的前后沿區(qū)間，以儒略日形式給出，供后續(xù)環(huán)節(jié)調(diào)用；

步驟四，按日期歸并前后沿區(qū)間，輸出近地傾斜軌道發(fā)射窗口設計方案。

步驟二和步驟三中的組網(wǎng)條件約束和光照條件約束均統(tǒng)一至TrueOfDate坐標系進行記錄，杜絕了坐標系原因產(chǎn)生的設計誤差。

步驟二中的組網(wǎng)條件約束以兩星升交點赤經(jīng)差別的區(qū)間作為設計約束，一次性給出指定時間段內(nèi)所有滿足約束區(qū)間上下限對應的發(fā)射窗口前后沿集合；

對于降軌發(fā)射，兩星的升交點赤經(jīng)Ω₂(t)可按下式計算如式(1)：

式中，t為入軌時間；

S_G(t)為發(fā)射日格林尼治恒星時角；λ為入軌點經(jīng)度；為入軌點地心緯度；i為軌道傾角；

對入軌時間t進行搜索，當滿足Ω₂(t)-Ω₁(t)＝ΔΩ時停止搜索。發(fā)射時間t_L可表示為如式(2)：

t_L＝t₀–t_主動段 (2)

步驟二中的組網(wǎng)條件約束，其約束過程具有高精度軌道遞推能力，在低軌星座任務中，采用任一歷元下的已在軌衛(wèi)星參數(shù)均可作為輸入直接參與后續(xù)星的窗口設計。

步驟三中的光照條件約束直接使用軌道面光照角作為輸入，通過少量迭代直接計算衛(wèi)星入軌時間，耗時少，精度高，避免了以入軌時間為輸入的遍歷型算法耗時甚長且精度低的不足；本環(huán)節(jié)依據(jù)β角約束上下限輸出4個對應的升交點赤經(jīng)，供后續(xù)環(huán)節(jié)處理(流程參見圖2)。

考慮到光照約束形式為β角而非降交點地方時，且每日不同的太陽位置會影響到β角，故發(fā)射窗口的計算結(jié)果會呈現(xiàn)每日不同的情況。計算過程在整個周年范圍內(nèi)分別針對每日的太陽位置計算了滿足給定β角的升交點赤經(jīng)，并由此推得發(fā)射時刻。

發(fā)射窗口的計算方法較為復雜，為便于理解，以下以公式形式給出了以β角為輸入的發(fā)射窗口估算方法，步驟如下：

(1)以指定日期的某一時刻作為太陽矢量S的迭代初始值；

(2)由如下關系可求得升交點赤經(jīng)Ω，如式(3)：

其中，h為軌道角動量，β為軌道面β角，N為軌道升節(jié)線，S為太陽

矢量(讀取自DE405星歷)；

(3)由如下關系可求得本次迭代的入軌時間：

由下式可求得入軌時間t₀，如式(4)：

其中，ω_e為地球自轉(zhuǎn)角速度，Ω為升交點赤經(jīng)，λ、分別為入軌點經(jīng)緯度，S_G為發(fā)射日0時的格林威治平恒星時，可由下式表示如式(5)：

S_G＝18^h.697374558+879000^h.051336907T+0^s.093104T² (5)

式中，T為儒略世紀；

(4)以求得的t₀作為太陽矢量S的下一步迭代輸入；反復進行(1)～(4)，直至收斂；

(5)扣除發(fā)射用時得到發(fā)射時間t_L，如式(6)：

t_L＝t₀–t_主動段 (6)

組網(wǎng)條件約束的設計約束為β角的演化方向，以此為依據(jù)對前續(xù)環(huán)節(jié)輸出的四個升交點赤經(jīng)進行判別，劃分出其中兩個作為一組可行區(qū)間對應發(fā)射窗口前后沿，判定原則如下：

傾角90°以下的軌道為西漂情況，對于此類情況，令如式(7)：

Δ＝Ω-λ_s+90°-180°≤Δ≤+180° (7)

式中，λ_s為太陽赤經(jīng)，Ω為當前升交點赤經(jīng)。

當-90°≤Δ≤+90°時，為向下變化；否則為向上變化。

光照條件約束僅通過約束區(qū)間上下限計算窗口前后沿，并通過算法判斷屬于前沿或是后延，按邏輯進行歸類，約束區(qū)間內(nèi)外部分均無需計算，大大節(jié)省了計算時間。

本發(fā)明的工作原理如下：

步驟一，設置計算條件，包括計算時間段(日期)、組網(wǎng)條件約束、光照角及其變化方向約束、衛(wèi)星入軌彈道等信息。

步驟二，將各軌道參數(shù)統(tǒng)一至TrueOfDate坐標系，轉(zhuǎn)換方式為：先又根數(shù)轉(zhuǎn)至位置速度坐標，后轉(zhuǎn)至新的坐標系，再轉(zhuǎn)回根數(shù)。

軌道面位于近焦點坐標系pqw中，p、q、w軸分別指向橢圓軌道的近地點方向、半通徑方向和軌道面正法向。衛(wèi)星在近焦點坐標系中的位置和速度可表示為如式(8)和(9)：

地心赤道坐標系的X軸指向春分點，Z軸指向天球北極，Z軸與X軸叉乘得到Y(jié)軸。將地心赤道坐標系依次繞Z軸旋轉(zhuǎn)Ω角度，繞X軸旋轉(zhuǎn)i角度，再繞Z軸旋轉(zhuǎn)ω角度即可得到pqw坐標系。連續(xù)三次旋轉(zhuǎn)得到的坐標變換矩陣可表示為如式(10)：

其中，如式(11)、(12)、(13)：

這樣，從近焦點坐標系到地心赤道坐標系的變換可表示為如式(14)：

r_XYZ＝R_XYZ←pqw·r_pqw (14)

坐標系的轉(zhuǎn)換由下式表達如式(15)：

HG＝(NR)(PR)(15)

其中，為TrueOfDate系下坐標，為J2000慣性系下坐標。HG為被函數(shù)輸出的轉(zhuǎn)換矩陣，先后包括歲差(PR)、章動(NR)。它們分別由下列各式(16)表達。

(PR)＝R_z(-z_A)R_y(θ_A)R_z(-ζ_A)

(NR)＝R_x(-Δε)R_y(Δθ)R_z(-Δμ) (16)

其中，Z_A,θ_A,ζ_A是平赤道歲差角，由下列公式計算

Δμ,Δθ,Δε則分別為赤經(jīng)章動，赤緯章動和交角章動。

是格林威治平恒星時，如式(17)：

S_G＝18^h.697374558+879000^h.051336907T+0^s.093104T² (17)

其中，t是UT1時間。

在低軌星座任務中，采用任一歷元下的已在軌衛(wèi)星參數(shù)(即用于組網(wǎng)約束的輸入)均可作為輸入直接參與后續(xù)星的窗口設計；輸入一星軌道狀態(tài)并遞推至歷元時刻，采用J4模型遞推擬平根，如式(18)：

(a₀,e₀,i₀,Ω₀,ω₀,M₀,t)＝J₄(a₀,e₀,i₀,Ω₀,ω₀,M₀,t₀) (18)

式中，t為遞推時長，a₀,e₀,i₀,Ω₀,ω₀,M₀是初始時刻軌道根數(shù)；映射J₄采用擬平根遞推法，具有精度高、速度快的優(yōu)點。

步驟三，直接使用軌道面光照角(即“β”角)作為輸入，通過少量迭代直接計算衛(wèi)星入軌時間，耗時少，精度高，避免了以入軌時間為輸入的遍歷型算法耗時甚長且精度低的不足；本環(huán)節(jié)依據(jù)β角約束上下限輸出4個對應的升交點赤經(jīng)，供后續(xù)環(huán)節(jié)處理。考慮到光照約束形式為β角而非降交點地方時，且每日不同的太陽位置會影響到β角，故發(fā)射窗口的計算結(jié)果會呈現(xiàn)每日不同的情況。計算過程在整個周年范圍內(nèi)分別針對每日的太陽位置計算了滿足給定β角的升交點赤經(jīng)，并由此推得發(fā)射時刻。

步驟四，對于計算得出的窗口后沿比窗口前沿考前的情況，通過分類處理令其屬于兩個不同日期的窗口。

綜上所述，本發(fā)明能夠梳理典型發(fā)射窗口約束，輸入、輸出明確，獨立對各約束進行計算后進行匯總，便于增減約束的二次開發(fā)，便于衛(wèi)星總體設計人員對發(fā)射窗口進行快速設計，并確保設計精度。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。