利用分级推力器执行的优化的功率平衡的低推力转移轨道的制作方法

本公开涉及包括人造卫星等的航天器，并且更具体涉及提供利用分级推力器执行的优化的功率平衡的低推力转移轨道。

背景技术：

电轨道提升涉及将航天器(诸如人造卫星)从在与发射运载工具分离之后的初始喷射轨道移动到航天器将会在其有用寿命期间操作所处的目标轨道。推力器在电轨道提升期间被用来将航天器从初始喷射轨道移动到目标轨道。推力器使用推进剂。在点火期间由每个推力器产生的推力的量是可变的，并且通过向推力器供应的电功率的量来控制。在推力器的点火期间使用的推进剂的量通过所供应的电功率的量来确定。所使用的电功率和推进剂的量还将会取决于每次推力器被点火时推力器的点火的持续时间。一旦航天器在目标轨道中，则推力器也被用于站保持(station-keeping)。因此，在电轨道提升期间最小化电轨道提升的持续时间并且控制至推力器的电功率对保留尽可能多的推进剂来用于站保持是重要的。

技术实现要素：

根据一实施例，一种用于利用分级推力器执行来提供优化的功率平衡的低推力转移轨道以最小化设备的电轨道提升的方法包括在所述电轨道提升的多个转移轨道中的每个转移轨道期间监测所述设备上的电功率平衡。所述方法还包括响应于所述设备离开日食(eclipse)并且基于所述电功率平衡而点火第一推力器。所述方法还包括基于所述电功率平衡且在点火所述第一推力器之后以预定时间延迟点火第二推力器。所述方法额外地包括基于所述电功率平衡在预定时间持续时间之后结束点火所述第一推力器或所述第二推力器中的一个。所述方法进一步包括响应于所述设备进入下一个日食而结束点火所述第一推力器或所述第二推力器中的另一个。

根据一实施例，一种设备被配置用于利用分级推力器执行来提供优化的功率平衡的低推力转移轨道以最小化所述设备的电轨道提升持续时间。所述设备包括控制电子器件，所述控制电子器件被配置为在所述电轨道提升的多个转移轨道中的每个转移轨道期间监测所述设备上的电功率平衡。所述控制电子器件还被配置为响应于所述设备离开日食并且基于所述电功率平衡而点火第一推力器。所述控制电子器件还被配置为在点火所述第一推力器之后以预定时间延迟并且基于所述电功率平衡点火第二推力器。所述控制电子器件被额外地配置为基于所述电功率平衡在预定时间持续时间之后结束点火所述第一推力器或所述第二推力器中的一个。所述控制电子器件被进一步配置为响应于所述设备进入下一个日食而结束点火所述第一推力器或所述第二推力器中的另一个。

已经被讨论的特征、功能和优势可以在各种实施例中独立地实现，或可以在其他实施例中组合，其中参考以下图示和附图可看出其进一步的细节。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的设备的示例的方框示意图。

图2a和图2b是根据本公开的实施例的用于提供优化的电功率平衡的可变推力转移轨道以最小化设备的电轨道提升持续时间的方法的示例的流程图。

图2c是根据本公开的另一实施例用于提供优化的功率平衡的可变推力转移轨道以最小化设备的电轨道提升持续时间的方法的示例的流程图，其中所述设备是自主设备。

图2d根据本公开的又一实施例用于提供优化的功率平衡的可变推力转移轨道以最小化设备的电轨道提升持续时间的方法的示例的流程图，其中所述设备是非自主或部分自主设备。

图3是根据本公开的实施例的最小化设备的电轨道提升持续时间的多维优化器的操作的方法的示例的流程图。

图4是根据本公开的实施例的包括最小化电轨道提升持续时间的转移轨道轮廓的设备的电轨道提升的示例的图示。

图5a和图5b是根据本公开的实施例的优化设备从发射运载工具的分离轨道的示例的图示，其最小化电轨道提升持续时间。

图6是根据本公开的实施例的设备的转移轨道的轨道平面的拱点旋转的示例的图示。

图7是根据本公开的实施例的用于利用分级推力器执行来提供优化的功率平衡的低推力转移轨道以最小化设备的电轨道提升的方法的示例的流程图。

图8是根据本公开的实施例的利用分级推力器执行最小化设备的电轨道提升的优化的低推力转移轨道的示例的图示。

具体实施方式

下面的实施例的详细描述参考示出本公开的具体实施例的附图。具有不同结构和操作的其他实施例不偏离本公开的范围。在不同的附图中，相同的附图标号可指代相同的元件或部件。

图1是根据本公开的实施例的设备100的示例的方框示意图。在一示例中，设备100是航天器，诸如人造卫星或其他空间运载工具。设备100被配置为提供优化的功率平衡的可变推力转移轨道402(图4)来最小化设备100的电轨道提升400持续时间。还参照图4，图4是根据本公开的实施例的最小化电轨道提升400持续时间的包括转移轨道轮廓404的设备100的电轨道提升400的示例的图示。转移轨道轮廓404包括一系列转移轨道402。电轨道提升400是将设备100从在从发射运载工具502(图5)分离之后的分离轨道406过渡到设备100将会操作所处的目标轨道408的过程。电轨道提升400包括一系列转移轨道402，其该系列转移轨道402期间可变推力器104被点火以将设备100移动到目标轨道408。在图4的示例中还图示了在电轨道提升400期间太阳504(图5a)相对于地球412的位置410。

设备100包括一个或更多个可变推力器104。在图1中的示例中，设备100包括两个可变推力器104。根据一示例，可变推力器104是被配置为产生可变推力108的电推进推力器，诸如霍尔效应推力器(het)或类似的可变推力器。一个或更多个可变推力器104被用于电轨道提升400以及在设备100到达目标轨道408之后的站保持。

可变推力器104使用推进剂106来产生可变推力108。推进剂106被存储在箱110中。根据一示例，推进剂106是氙。在另一些示例中，推进剂106是一种或更多种推进剂或其组合。推进剂106通过供给系统112被供给到可变推力器104。推进剂流控制器114(例如氙流控制器(xfc1和xfc2))与每个可变推力器104相关联，并且将供给系统112耦接到每个可变推力器104，以单独地控制推进剂106到每个可变推力器104的供应。在点火期间由每个可变推力器104产生的可变推力108的量通过向每个可变推力器104供应的电功率116的量来控制。在每个可变推力器104的点火期间使用的推进剂106的量通过所供应的电功率116的量来确定。所使用的电功率116和推进剂106的量还将会取决于每次可变推力器104被点火时可变推力器104的点火的持续时间。功率处理单元(例如，ppu1和ppu2)118也与每个可变推力器104相关联，以控制在点火期间向每个可变推力器104供应的电功率116的量。

每个可变推力器104通过万向平台机构122(例如氙万向平台机构(gxp1和gxp2))被机械地耦接到设备100的外部120。万向平台机构122提供旨在指引推力方向124的可变推力器104。

设备100还包括被附接到设备100的一个或更多个太阳能电池阵列126(例如126a和126b)以为设备100提供电功率130。太阳能电池阵列126被配置为将光能转换为电能，并且为设备100的部件127提供电功率130。在图1中的示例中，设备100包括北太阳能电池阵列126a和南太阳能电池阵列126b。北太阳能电池阵列126a和南太阳能电池阵列126b被安装在设备100的相反侧上。北太阳能电池阵列126a和南太阳能电池阵列126b被电性地耦接到集成功率控制器(ipc)128。ipc128从太阳能电池阵列126接收电功率130，并且控制电功率130到设备100的部件127的分配。在图1中图示的示例中，ipc128经由第一总线132为功率处理单元118提供操作可变推力器104的电功率130，在图1的示例中第一总线132是100伏总线。ipc128还经由第二总线134将电功率130分配到设备100的其他部件127，在图1的示例中第一总线132是30伏总线。其他实施例可以包括不同电压的总线。第二总线134被连接到二级总线单元136。

设备100还包括为设备100提供功率的电池138。在一个实施例中，电池138是电池组。由ipc128从太阳能电池阵列126通过电功率130给电池138充电。ipc128控制通过太阳能电池阵列126给电池138的充电。

设备100进一步包括控制电子器件140。控制电子器件由电池138或ipc128提供功率。在图1的示例中，如果设备100是航天器或类似设备，控制电子器件140是航天器控制电子器件(sce)。控制电子器件140包括处理器142。在设备100是如参照图2c更详细地描述的自主设备的实施例中，控制电子器件140被配置为执行诸如提供优化的功率平衡的可变推力转移轨道402(图4)以最小化设备100的电轨道提升400持续时间的功能。处理器142包括提供如参照图2a和图2c更详细地描述的一系列优化的转移轨道402(图4)的优化器144。将会参照图2a中的方框210以及图3中的方框306和308更详细地描述优化器144的操作的示例。在设备100是自主设备的实施例中，控制电子器件140被配置为执行图2a中的方框210以及图3中的方框306和308的功能。

根据一实施例，地面网络152包括被配置为执行关于图2a-2d中的方法200和图3中的方法300描述的至少一些功能的另一处理器143。多维优化器145被实施在处理器143上并且在处理器143上运行。多维优化器145被配置为在由发射运载工具502(图5a)发射设备100之前使用模拟的发射数据至少执行图3中的方法300第一水平302的优化和第二水平304的优化。如参照图2a中的方框204-208以及图3中的方框302和304更详细地描述的，第一水平(方框302)的优化确定优化的分离节点530，分离节点530是设备100从发射运载工具502分离的位置。第二水平(方框304)的优化确定优化的分离轨道406，分离轨道406是在从发射运载工具502分离和电轨道提升400开始之后的设备100的第一转移轨道402。根据另一实施例，地面网络152包括控制站，并且控制站包括与处理器143类似的处理器。

处理器143还被配置为根据所使用的具体发射运载工具502的能力146来使用发射运载工具(lv)502(图5a)的能力146，并且改变分离轨道406(图4和图5a)的可变参数148，以优化分离轨道406并且最小化电轨道提升400持续时间。发射运载工具能力146包括具体发射运载工具502的性能能力，诸如推力性能、有效负载能力等。能力146可以基于发射运载工具502的具体任务而改变。将会参照图3中的方框314和316描述分离轨道406的可变参数148的示例。

根据设备100是非自主设备或部分自主设备的实施例，地面网络152的多维优化器145被配置为确定一系列优化的转移轨道402(图4)，如参照图2d中的方框256和258以及图3中的方框306和308更详细地描述。

根据一实施例，控制电子器件140被配置为在逐个轨道基础上针对每个转移轨道402确定电功率平衡150，以在每个转移轨道402的阳光持续时间510(图5a)期间为可变推力器104提供最大电功率116，从而最小化电轨道提升400持续时间。当设备100不在日食512中时发生每个转移轨道402的阳光持续时间510。当在每个转移轨道402时地球412在设备100与太阳504之间时，发生日食512。然而，在一些情况下，例如，如果仅单个可变推力器104是可用的，则会希望在日食512期间点火可用的可变推力器104。电功率平衡150是向可变推力器104中的每一个供应的电功率116的量与由太阳能电池阵列126通过ipc128给电池138再充电和为设备100的其他部件127提供电功率130所供应的电功率130之间的平衡。如之前描述的，当可变推力器104被点火时，每个可变推力器104产生与向每个可变推力器104供应的电功率116的量成比例的可变推力108的量。

根据一实施例，控制电子器件140被配置为将设备100转移到第二转移轨道402以到达目标轨道408，并且基于当前的电功率平衡150确定可变推力108。控制电子器件140还被配置为根据预定可变推力108和预定操纵计划156执行推力器104操纵，以将设备100从第一转移轨道402转移到第二转移轨道402。预定操纵计划156包括一组复合转向参数158。该组复合转向参数158是基于优化的可变推力108和与优化的可变推力108相关联的电功率平衡150。预定操纵计划156还包括一系列优化的转移轨道402，以最小化设备100到目标轨道408的电轨道提升400持续时间。第二转移轨道402是一系列优化的转移轨道402中的一个。该组复合转向参数158被优化以最小化设备100到目标轨道408的电轨道提升400持续时间。在美国专利8,457,810中可以发现用于高效低推力转移轨道的复合转向的背景示例，该专利标题为“compoundsteeringlawforefficientlowthrusttransferorbittrajectory”，2013年6月4日公告，受让给与本申请相同的受让人。在美国专利8,930,048中也可以发复合转向的背景示例，该专利标题为“enhancedcompoundsteeringlawforgenerallowthrustmission”，2015年6月6日公告，受让给与本申请相同的受让人。

根据一实施例，控制电子器件140被进一步配置为从另一设备接收预定操纵计划156。其他设备的示例包括但不一定限于控制站、地面控制站、航天器和中继站中的至少一个。根据另一实施例，控制电子器件140被配置为确定预定操纵计划156。在一个示例中，地面网络152确定操纵计划156，传输到一个或更多个中间设备，该一个或更多个中间设备进而将操纵计划156传递到所讨论的设备100。中间设备的示例包括但不限于航天器、控制站、人造卫星或能够与设备100通信的任何其他设备。在另一示例中，被通信地连接(直接或间接)到设备100并且配备有多维优化器145的另一航天器或设备接收设备100的位置，并且确定操纵计划156并将操纵计划156传输到设备100。

根据一实施例并且如参照图2c更详细地描述的，控制电子器件140被配置为响应于所估计的当前转移轨道402不近似地等于一系列优化的转移轨道402中的对应的优化的转移轨道而重新优化一系列优化的转移轨道402以最小化电轨道提升400持续时间。控制电子器件140还被配置为根据一系列重新优化的转移轨道402调整预定操纵计划156。控制电子器件还被配置为根据经调整的预定操纵计划156的一组经调整的复合转向参数158和经调整的可变推力108执行推力器104操纵。

图2a和图2b是根据本公开的实施例的用于提供优化的电功率平衡的可变推力转移轨道402(图4)以最小化设备100的电轨道提升400持续时间的方法200的示例的流程图。根据一示例，方法200的方框204-208被实施在地面网络152中并且通过地面网络152来执行。

在方框204中，使用多维优化器145来优化从发射运载工具502(图5a)的分离轨道406(图4和图5a)以最小化电轨道提升400持续时间。使用多维优化器145包括使用发射运载工具502的能力146，并且根据所使用的具体发射运载工具502的能力146改变分离轨道406的可变参数148。将会参照图3描述多维优化器145的操作的方法300的示例。

还参照图5a和图5b，图5a和图5b是根据本公开的实施例的优化设备100从发射运载工具502的分离轨道406的示例的图示，其最小化电轨道提升400持续时间。电轨道提升400持续时间也可以被称为转移轨道402持续时间。在方框206中，优化从发射运载工具502的分离轨道406包括在从发射运载工具502分离时由设备100的分离轨道406限定的分离轨道平面516的较低喷射倾角514(图5b)与分离轨道406的较高喷射远地点518之间平衡发射运载工具502性能。在图5b中的示例中，正交坐标系利用正交轴线i、j和k来限定。分离轨道406的喷射倾角514通过分离轨道平面516的法线h与轴线k之间的角来限定。在设备100从发射运载工具502分离时的分离轨道平面516通过上升节点的赤经520来限定，上升节点的赤经520是轴线i与通过轴线i和j限定的平面中的节点线(n)521之间的角欧米伽ω。在方框206中，设备100从发射运载工具502的分离轨道406的优化通过控制发射运载工具502性能来定向设备100的分离轨道平面516从而最小化电轨道提升400期间的日食512持续时间来实现。分离轨道406也被优化，以将电轨道提升400期间的转移轨道402的近地点522置于与太阳504近似相反的位置524中以在电轨道提升400期间达最长累积时间。这也最小化了电轨道提升400期间的日食512持续时间以最小化电轨道提升400持续时间。

在方框208中，多维优化器145被用来通过改变分离轨道406的可变参数148来最小化电轨道提升400(图4)。还参照图5b，改变分离轨道406的可变参数148包括通过控制发射运载工具502的性能来改变喷射近地点517、喷射远地点518、喷射倾角514和喷射节点526。在一个示例中，喷射节点526通过发射运载工具502的发射的时刻而非发射运载工具502的飞行轮廓528(图5a)来控制。在另一示例中，喷射节点526通过发射运载工具502的被提供功率的飞行来控制。喷射节点526是通过发射运载工具502的最后一次推力器燃烧实现的轨道的节点。根据一示例，发射运载工具502可以携带多个设备，诸如图1中的设备100。每个设备100具有是具体设备与多个设备分离的位置的分离节点530(图5a)。

在方框209中，设备100使用发射运载工具502(图5a)来发射。如之前在图1的示例中描述的，设备100包括一个或更多个可变推力器104和为设备100的部件127提供电功率154的电池138。设备100还包括一个或更多个太阳能电池阵列126(例如126a和126b)，以给电池138再充电，为设备100的其他部件127提供电功率130，并且为可变推力器104提供电功率116。

在方框210中，转移轨道轮廓404(图4)使用设备100、太阳504、地球412、分离轨道406和目标轨道408的几何构型506(图5a)来优化，以最大化到可变推力器104的可用电功率116(图1)，从而最小化电轨道提升400持续时间。参照方框212和214更详细地描述了使用几何构型506优化转移轨道轮廓404的示例。如之前描述的，根据设备100是自主的实施例，设备被配置为如参照图2c更详细地描述的那样优化转移轨道402。根据设备100是非自主或部分自主的实施例，地面网络152被配置为如参照图2d更详细地描述的那样优化转移轨道402。

在方框212中，转移轨道轮廓404基于电轨道提升400期间的几何构型506来优化，以提供较长累积阳光持续时间510和在日食512中的较少累积持续时间。这提供了由太阳能电池阵列126产生的更高总电功率130，以增加向可变推力器104供应的电功率116，从而增加每个转移轨道402的可变推力108，并且因此减少电轨道提升400持续时间。

还参照图6，图6是根据本公开的实施例的在电轨道提升400期间设备100的转移轨道402的轨道平面602的拱点旋转600的示例的图示。在方框214中，实施优化的转移轨道轮廓404(图4)，优化的转移轨道轮廓404利用在设备100的转移轨道402期间的轨道平面602的拱点旋转600来最大化设备100的轨道平面602的运动与太阳504相对于地球412的表观运动608的一致性。这也最大化了在电轨道提升400期间设备100在阳光中的时间量，以增加向可变推力器104供应的电功率116，并且因此减少电轨道提升400持续时间。

在方框216中，在逐个轨道基础上为每个转移轨道402确定电功率平衡150(图1)，以在每个转移轨道402的阳光持续时间510(图5a)期间为可变推力器104提供最大电功率116，从而最小化电轨道提升400持续时间。电功率平衡150是向每个可变推力器104供应的电功率116与由太阳能电池阵列126经由ipc128给电池138再充电和为设备100的其他部件127提供电功率130所供应的电功率130之间的平衡。每个可变推力器104提供与通过相关联的功率处理单元118向可变推力器104供应的电功率116的量成比例的推力108的可变量。

参照方框218-224更详细地描述了在逐个轨道基础上为每个转移轨道402确定电功率平衡150以便为每个可变推力器104提供最大电功率116的示例。根据一实施例，在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间为每个可变推力器104提供最大电功率116，以最小化电轨道提升400持续时间。然而，在一些情况下，例如，如果仅单个可变推力器104是可用的，则会期望在日食512期间点火可用的可变推力器104。

在方框218中，针对每个转移轨道402使用等式1来确定来自太阳能电池阵列126的可用电功率130(图1)：

psolar_array＝ncircuit(pcircuit-losssolar_array_timetdelta)等式1

其中psolar_array是来自太阳能电池阵列126a或126b中的至少一个的可用电功率130。基准是使用太阳能电池阵列126a和126b两者。ncircuit是太阳能电池阵列126a和126b中的光电管电路的数量，pcircuit是每个太阳能电池阵列电路的功率，并且losssolar_array_timetdelta是太阳能电池阵列126a和126b在时间段tdelta内的功率损失。

在方框220中，在每个转移轨道402的日食512期间从电池138汲取的电能的量根据等式2来确定：

其中drainecl是在每个日食512期间从电池138汲取的电能的量。loadecl是在日食512期间被连接到电池的负载，并且tecl是日食512的持续时间。1-lossdischarge通过当电池138正在向设备100的其他部件127供应电功率154时从1减去电池138的放电(lossdischarge)期间的损失来考虑给电池138放电的无效性。

在方框222中，在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间给电池138再充电的电功率154的量使用等式3来确定：

其中loadcharge是在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间给电池138再充电的电荷的量。tsun是每个转移轨道402的阳光持续时间510，并且1-losscharge通过当电池138在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间正被充电时从1减去充电损失(losscharge)来考虑电池138的充电无效性。

在方框224中，在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间可用于可变推力器104的剩余电功率130使用等式4来确定：

pthrust＝psolar_array-losssolar_array_instant-loadcharge-loadsun等式4

其中pthrust是在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间可用于可变推力器104的剩余电功率130。losssolar_array_instant是由于太阳能电池阵列126的无效性导致的太阳能电池阵列126的电功率损失。loadsun是在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间从太阳能电池阵列126汲取电功率130的其他负载。

在方框226中，在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间来自太阳能电池阵列126的剩余可用电功率130被供应到可变推力器104，以最小化电轨道提升400持续时间。

图2c是根据本公开的另一实施例用于提供优化的功率平衡的可变推力转移轨道402以最小化设备100的电轨道提升400持续时间的方法227的示例的流程图，其中设备100是自主设备。示例性方法227的元件被分成被实施在地面网络152中并且通过地面网络152来执行的那些元件；被实施在发射运载工具502中并且通过发射运载工具502来执行的那些元件；以及被实施在设备100中并且通过设备100来执行的那些元件。

在方框228中，通过使用优化器(例如，图1中的多维优化器145)来找到优化的分离轨道406(图4)。参照图2a中的方框204-208以及图3中的方框302和304描述找到优化的分离轨道406的示例。在发射之前使用模拟的发射数据来找到优化的分离轨道406。

在方框230中，优化分离轨道406的参数被发射运载工具502接收。参照图3中的方框314和316描述优化分离轨道406的参数的示例。在方框232中，设备100被发射运载工具502发射到分离轨道406内。与实际分离轨道405相关联的参数可以包括通过地面网络152找到的自模拟的分离轨道406的小误差。

在方框234中，确定设备100的当前转移轨道402的估计。根据一示例，通过设备100上的全球定位系统(gps)160(图1)来确定设备100的当前转移轨道402的估计。

在方框236中，所估计的当前转移轨道402与预定优化的转移轨道轮廓404的对应的优化的转移轨道402进行比较。预定优化的转移轨道轮廓404包括一系列优化的转移轨道402。根据一实施例，在设备100的发射之前确定预定优化的转移轨道轮廓404。参照图3中的方框306和308描述通过优化器(例如，多维优化器145)确定预定优化的转移轨道轮廓404的示例。参照图2a中的方框210-214描述确定预定优化的转移轨道轮廓404的另一示例。当前操纵计划156是基于优化的转移轨道轮廓404。当前操纵计划156包括但不一定限于一组复合转向参数158以及何时点火设备100的一个或更多个推力器104和何时切断所述一个或更多个推力器104。

如果所估计的转移轨道402近似等于对应的优化的转移轨道402，方法227前进到方框240。在方框240中，当前操纵计划156被维持，以最小化电轨道提升400持续时间。

在方框246中，响应于所估计的当前转移轨道近似等于对应的优化的转移轨道402，由当前操纵计划156确定基于电功率平衡150的可变推力108。确定每个优化的转移轨道402的电功率平衡150。参照图2b中的方框216-224描述在逐个轨道基础上确定电功率平衡的示例。

返回到方框238，如果所估计的转移轨道402不近似等于预定优化的转移轨道轮廓404的对应的优化的转移轨道402，方法227前进到方框242。在方框242中，预定优化的转移轨道轮廓404的所述一系列优化的转移轨道402通过设备100来重新优化。重新优化所述一系列优化的转移轨道402包括确定新的一系列优化的转移轨道402，并且基于所述新的一系列优化的转移轨道402中的每一个的电功率平衡150预测可变推力108。根据一示例，自主设备100包括优化器，例如图1中的优化器144。优化器144被配置为如本文中描述的那样重新优化一系列优化的转移轨道402。

在方框244中，根据所述新的一系列优化的转移轨道402来调整当前操纵计划156，以提供新的当前操纵计划156，从而最小化电轨道提升400持续时间。

在方框246中，响应于在方框238中所估计的当前转移轨道402不近似等于对应的优化的转移轨道402，由新的当前操纵计划156来确定基于电功率平衡150的可变推力108。

在方框248中，根据当前操纵计划156或新的当前操纵计划156的一组复合转向参数158和可变推力108来执行推力器104操纵。

在方框250中，确定设备100是否已经到达目标轨道408。如果设备100还未到达目标轨道408，方法227返回到方框234，并且该过程继续类似于之前描述的过程直至到达目标轨道406。如果在方框250中已经到达目标轨道406，在252处推力器点火结束。

图2d是根据本公开的又一实施例用于提供优化的功率平衡的可变推力转移轨道402以最小化设备100的电轨道提升400持续时间的方法253的示例的流程图，其中设备100是非自主或部分自主设备。示例性方法253的元件被分成被实施在地面网络152中并且通过地面网络152来执行的那些元件；被实施在发射运载工具502中并且通过发射运载工具502来执行的那些元件；以及被实施在设备100中并且通过设备100来执行的那些元件。方框228、230和232与在图2c的方法227中描述的那些相同。在方框228中，通过使用优化器(例如，图1中的多维优化器145)来找到优化的分离轨道406(图4)。参照图2a中的方框204-208以及图3中的方框302和304描述找到优化的分离轨道406的示例。在发射之前找到优化的分离轨道406。在一个实施方式中，模拟的发射数据被多维优化器145用来确定优化的分离轨道406。

在方框230中，优化分离轨道406的参数被发射运载工具502接收。参照图3中的方框314和316描述优化分离轨道406的参数的示例。在方框232中，设备100被发射运载工具502发射到分离轨道406内。与实际分离轨道406相关联的参数可以包括通过地面网络152找到的与模拟的分离轨道406的小误差。

在方框254中，确定设备100的当前转移轨道402的估计。如果设备100包括gps160，当前转移轨道402的估计通过设备100来确定。当前转移轨道402的估计被传输到地面网络152。转移轨道402数据以预设的时间间隔被地面网络152接收。例如，转移轨道402数据每天被传输到地面网络152。如果设备100未配备有gps160，则地面网络152被配置为使用测距数据来确定当前转移轨道402的估计。

在方框256中，优化的转移轨道402通过地面网络152来确定。例如，地面网络152包括被配置为确定一系列优化的转移轨道402的优化器，例如多维优化器145(图1)。参照图3中的方框306和308描述通过多维优化器135确定优化的转移轨道402的示例。在图2a的方框210-214中描述确定优化的转移轨道402的另一示例。优化一系列转移轨道402包括基于一系列优化的转移轨道402中的每一个的电功率平衡150使用之前的了解和未来的估计来预测可变推力108。基于所估计的转移轨道与一系列优化的转移轨道402中的对应的优化的转移轨道402之间的差异来更新预定操纵计划156。

在方框258中，从地面网络152向设备100发送对预定操纵计划156的任何更新。对预定操纵计划156的更新可以以周期性时间间隔被发送，例如，每两周一次或任何其他周期性时间间隔，这取决于情况和会需要多久对一系列优化的转移轨道402进行修正。对预定操纵计划156的更新可以被直接发送到设备100或通过中间设备或地面网络152的其他控制站被中继到设备100。预定操纵计划156包括一组复合转向参数158和推力器操纵时间、所述一个或更多个推力器104何时被点火和设备100的所述一个或更多个推力器104何时被切断。该组复合转向参数158是基于优化的可变推力108和与优化的可变推力108相关联的电功率平衡150。

在方框260中，由设备100基于电功率平衡150来确定可变推力108。如之前描述的，参照图2b中的方框216-224描述确定电功率平衡的示例。当前操纵计划156将会响应于未从地面网络152接收对当前操纵计划156的新的更新而继续被执行。更新的操纵计划156将会响应于设备正从地面网络152接收对当前操纵计划156的更新而被执行。

在方框262中，根据所接收的更新的操纵计划156的一组复合转向参数158和设备100机载确定的可变推力108来执行推力器104操纵。

在方框264中，确定是否已经到达目标轨道406。方法253将会响应于还未到达目标轨道406而返回到方框254。该过程将会继续类似于之前描述的过程。如果在方框264中已经到达目标轨道406，在266处推力器点火结束。

图3是根据本公开的实施例的最小化设备100的电轨道提升400持续时间的多维优化器145(图1)的操作的方法300的示例的流程图。根据图3中的示例，方法300包括四个优化水平302、304、306和308。第一水平302的优化包括优化分离节点530(图5a)。第二水平304的优化包括优化经受设备100的分离质量约束的分离轨道406(图4、图5b)，如下面所述。第三水平306的优化包括优化每个转移轨道402(图4、图6)。第四水平308的优化包括从分离轨道406到目标轨道408(图4)的转移的优化。在优化水平302、304、306和308的每一个处，假设其他更高优化水平处的可变参数(方框314、316和326)是固定的来优化电轨道提升400，从而获得电轨道提升400的局部最小值。

在一个实施例中，仅执行优化水平302、304、306和308的子集。例如，方框326中的可变参数是预先选择的且固定的，并且因此针对水平306的电轨道提升400未被最小化，并且方框328被绕过或处于缺省是(水平306处不优化)。然而，方框314和316处的可变参数被改变。尽管水平306优化未被执行，但是水平304和302处的局部电轨道提升被确定。在另一些示例中，304或302处的优化被绕过，并且那些水平处的可变参数是固定的或预先选择的。

根据一示例，任何已知的数学优化算法(诸如梯度下降优化或类似的优化)被用来执行每个优化水平302、304、306和308中的优化。虽然图3示出了电轨道提升400被分级地最小化的示例，但是在另一实施例中，使用优化水平302、304和306中的可变参数的子集中的至少一个的单个总体优化被应用，并且电轨道提升400在单个级中被最小化。当优化水平302、304和306中的所有可变参数被同时优化时，获得电轨道提升的最佳值。

回到在图3中示出的示例，第一水平302的优化包括经由上升节点520的赤经的选择来取向分离轨道平面516(图5b)，以最小化电轨道提升400持续时间。第一水平302的优化对应于图2a的方框206。输入变量310被接收，并且在第一水平302中开始优化。输入变量310对应于与每个优化水平302-308相关联的可变参数148(图1)，可变参数148在每个优化水平302-308中是可变的以实现优化的解(图3中的方框312)以最小化电轨道提升400持续时间。在下面利用相关联的优化水平302-308描述了被用于每个优化水平302-308的可变参数的示例。

在方框314中，通过改变与设备100从发射运载工具502的分离相关联的可变参数来优化分离节点530(图5a)。例如，可变参数包括经由图5b中的上升节点520的赤经的选择而被取向以最小化电轨道提升400持续时间的分离轨道平面516(图5b)。

在第二水平304的优化中，分离轨道406(图5b)经受分离质量(例如推进剂106质量和设备100干质量)约束并且针对方框314处的一组给定可变参数来优化。设备干质量是没有推进剂106的设备100的质量。第二水平304的优化对应于图2a中的方框208。在方框316中，分离轨道406在存在约束(方框318)的情况下通过改变可变参数来优化，所述可变参数包括喷射倾角514(图5b)、喷射远地点518和喷射近地点517。方框318中的约束通过等式5来限定：

separationmass＝apparatusdrymass+electricpropellantmass等式5

其中在从发射运载工具502分离处的总设备质量(separationmass)等于没有推进剂106的设备干质量(apparatusdrymass)加上推进剂106质量(electricpropellantmass)。

在方框318中，约束迫使推进剂106质量和设备100干质量与发射运载工具能力146兼容以将推进剂106质量和设备100干质量递送到给定分离轨道406。第二水平304的优化的目的是找到最小化电轨道提升400持续时间的分离轨道可变参数的优化的组合。

如果在方框320中不满足约束(方框318)，方法300返回到方框316，并且可变参数被改变以找到满足方框318中的约束的发射运载工具可变参数的不同组合。如果在方框320中满足约束，方法300前进到方框322。在方框322中，如果304水平处的电轨道提升400持续时间未被最小化，方法300返回到方框316，并且方法300继续类似于之前描述的方法。如果电轨道提升400持续时间在方框322中被最小化，方法300前进到方框324以检查在304中优化的同时在方框314中已经选择该组可变参数的情况下电轨道提升400是否已经在302水平处被最小化。

第三水平306的优化包括优化每个转移轨道402(图4)，以在方框314和316中已经选择的一组可变参数的情况下最小化从给定分离轨道406到目标轨道408的电轨道提升400持续时间。第三水平306的优化对应于图2a中的方框212。根据一示例，优化每个转移轨道402包括对每个转移轨道402进行修改。对每个转移轨道402的修改包括贯穿电轨道提升400对转移轨道平面532(图5a)相对于地球412和太阳504的取向的修改，以最大化阳光持续时间510、最小化日食512持续时间并且最小化电轨道提升400持续时间。

在方框326中，通过改变可变参数148来优化每个转移轨道402，可变参数148包括推进剂106的质量和全局复合转向权重因子。在美国专利8,457,810和美国专利8,930,048中可以发现用于高效低推力转移轨道的复合转向规则和全局复合转向权重因子的背景示例，美国专利8,457,810专利标题为“compoundsteeringlawforefficientlowthrusttransferorbittrajectory”，2013年6月4日授权，受让给与本申请相同的受让人，美国专利8,930,048专利标题为“enhancedcompoundsteeringlawforgenerallowthrustmission”，2015年6月6日授权，受让给与本申请相同的受让人。简要地，全局复合转向和全局复合转向权重因子包括在具体可变推力108下并且沿具体复合转向方向534(图5a)(如针对每个可变推力转移轨道402确定的)点火可变推力器104，以在方框314和316中的可变参数的情况下最小化水平306处电轨道提升400持续时间。

在方框328中，确定是否通过第三水平306的优化中的优化来最小化电轨道提升400持续时间。如果否，方法300将会返回到方框326，并且方框326中的可变参数148被改变直至在方框328中找到最小化电轨道提升400持续时间的优化的转移轨道402。如果在方框328中确定通过第三水平306处的优化的转移轨道402并且在方框314和316处的选定的可变参数以及326中的优化的参数的情况下最小化电轨道提升400持续时间，方法300返回到方框320，并且方法300继续类似于之前描述的方法。

第四水平308的优化包括优化在每个转移轨道402(图4)期间由可变推力器104产生的可变推力108(图1)，以实现从分离轨道406朝向目标轨道408的前进。第四水平308的优化对应于图2b中的方框216。可变推力108和复合转向在第四水平308的优化中使用。在方框330中，设备100针对下一个可变推力器操纵传送到下一个转移轨道402。

在方框332中，可变推力108根据电功率平衡150来确定。根据一实施例，电功率平衡150根据图2b中的方框216来确定。在方框336中，复合转向参数被优化。在美国专利8,457,810和8,930,048中描述了复合转向参数的示例。简要地描述，复合转向参数限定复合转向方向534和每个转移轨道402的可变推力108的量，并且被优化以最小化电轨道提升400持续时间。

在方框338中，确定是否已经到达目标轨道408(图4)。如果否，方法300返回到方框330，并且设备100传送到下一个转移轨道402中的位置来执行可变推力器104操纵，并且方法300将会如之前描述的那样继续。如果在方框338中已经到达目标轨道408，方法300将会前进到方框328，并且方法300将会如之前描述的那样继续。如果所有优化水平302、304、306和308都已经被成功地执行，方法300前进到方框312，并且最小化电轨道提升400持续时间的优化的解被实现。

图7是根据本公开的实施例的用于利用分级推力器执行来提供优化的功率平衡的低推力转移轨道402(图8)以最小化设备100的电轨道提升400的方法700的示例的流程图。根据一实施例，方法700被实施在设备(诸如图1中的设备100)中并且通过该设备来执行。在另一实施例中，方法700被实施在地面网络(诸如图1中的地面网络152)中并且通过该地面网络来执行。在又一实施例中，方法700的部分被实施在设备100中并且通过设备100来执行，并且方法700的部分被实施在地面网络152中并且通过地面网络152来执行。

在方框702中，在电轨道提升400的多个转移轨道402中的每个转移轨道402期间监测设备100上的电功率平衡150。在每个转移轨道402期间确定电功率平衡150的示例之前参照图2b的方框216-224来进行描述。

在方框704中，响应于设备100离开日食512并且基于电功率平衡150点火第一推力器104。根据一示例，点火第一推力器104包括点火多于一个第一推力器104。还参照图8，图8是根据本公开的实施例的利用分级推力器执行800最小化设备100的电轨道提升400的优化的低推力转移轨道402的示例的图示。分级推力器执行800通过当第一推力器104在转移轨道402期间正点火时的虚线802和当第一推力器104和第二推力器104在转移轨道402的位置808和810之间一起点火时的实线804来图示。在图8中图示的示例中，在设备100离开日食512并进入转移轨道402的阳光持续时间510之后的位置806处第一推力器104开始点火。在另一示例中，位置806不是紧接在设备100离开日食512之后，并且是基于点火推力器104的优化沿着转移轨道402的不同位置处，如在下面参照方框710描述。

在方框706中，在点火第一推力器104之后预定时间延迟并且基于电功率平衡150来点火第二推力器104。根据一示例，点火第二推力器104包括点火多于一个第二推力器104。在图8中图示的示例中，第二推力器104在转移轨道402的位置808处开始点火，并且结合第一推力器104来点火。用于结合第一推力器104来开始点火第二推力器104的位置808是基于如下面描述的点火推力器104的优化。第一推力器104和第二推力器104根据下面的等式6一起被点火达预定时间持续时间，这对应于图8的示例中的转移轨道402的位置810。

第一推力器104在第一预定功率水平下被点火，并且第二推力器104在第二预定功率水平下被点火。根据一实施例，第一预定推力器功率水平和第二预定推力器功率水平大约相等，并且在点火期间被调整以维持电功率平衡150。在另一实施例中，第一预定推力器功率水平和第二预定推力器功率水平是不同的功率水平，并且在点火期间被调整以维持电功率平衡150。根据又一实施例，第一推力器功率水平和第二推力器功率水平在点火期间对于每个推力器104来说约为最大推力器功率水平。

在方框708中，每个推力器104的推力器功率水平在每个转移轨道402期间基于每个转移轨道402期间的电功率平衡150来调整。每个推力器104的推力器功率水平被调整以维持每个转移轨道402期间的电功率平衡150。

在方框710中，一起点火推力器104的时间持续时间在每个转移轨道402期间基于每个转移轨道402期间的电功率平衡150来调整。根据一实施例，确定每个转移轨道402的阳光持续时间510的优化的部分812，在此期间推力器104一起被点火(图8中的实线)。优化的部分812是基于两个推力器104一起被点火的时间持续时间。优化的部分812可以由于优化而移动至转移轨道402中的任何地方。根据一示例，用于一起点火推力器104的优化的时间持续时间使用等式6来确定：

其中：

crmax是以瓦为单位的到电池138的最大充电速率。

(无单位)。

pthruster_max是以瓦为单位的推力器104的最大功率极限。

tsun是基于轨道几何构型的具体转移轨道402的阳光持续时间510。

loadecl是在日食512期间被连接到电池138的负载。

tecl是日食512的持续时间。

psolar_array是来自太阳能电池阵列126a或126b中的至少一个的可用电功率130。

loadsun是在每个转移轨道402的阳光持续时间510期间从太阳能电池阵列126汲取电功率130的其他负载。

用于点火仅一个推力器104的总时间持续时间通过等式7来确定：

t1＝tsun-t2等式7

根据在图8中图示的示例，用于点火仅一个推力器的总时间t1持续时间被分成两个节段802a和802b(虚线)。在另一示例中，总时间t1可以是转移轨道402的单个节段。单个节段可以是在基于优化的沿着转移轨道402的不同位置处。

回来参照图7，在方框712中，点火第一推力器104或第二推力器104中的一个基于电功率平衡150在用于一起点火推力器104的预定时间持续时间t2之后结束。预定时间持续时间t2的结束对应于图8中的示例中的位置810。

在方框714中，点火第一推力器104或第二推力器104中的另一个响应于设备100进入下一个日食512而结束。在图8中的示例中，另一个推力器104的点火在邻近进入下一个日食512的位置处结束。根据另一示例，点火另一个推力器104在进入下一个日食512之前的转移轨道402的位置处结束。根据又一实施例，点火推力器104中的至少一个至少部分地继续到下一个日食512内。

另外，本公开包含根据以下条款的实施例：

条款1：一种用于利用分级推力器执行来提供优化的功率平衡的低推力转移轨道以最小化设备的电轨道提升持续时间的方法，所述方法包含：在所述电轨道提升的多个转移轨道中的每个转移轨道期间监测所述设备上的电功率平衡；响应于所述设备离开日食并且基于所述电功率平衡而点火第一推力器；在点火所述第一推力器之后的预定时间延迟并且基于所述电功率平衡点火第二推力器；基于所述电功率平衡在预定时间持续时间之后结束点火所述第一推力器或所述第二推力器中的一个；以及响应于所述设备进入下一个日食而结束点火所述第一推力器或所述第二推力器中的另一个。

条款2：根据条款1所述的方法，其中点火所述第一推力器包含在第一预定推力器功率水平下点火所述第一推力器，并且点火所述第二推力器包含在第二预定推力器功率水平下点火所述第二推力器。

条款3：根据条款2所述的方法，其中所述第一预定推力器功率水平和所述第二预定推力器功率水平大约相等。

条款4：根据条款2所述的方法，其中所述第一预定推力器功率水平和所述第二预定推力器功率水平约为最大推力器功率水平。

条款5：根据条款1所述的方法，进一步包含基于每个转移轨道期间的所述电功率平衡调整每个转移轨道期间的每个推力器的推力器功率水平。

条款6：根据条款1所述的方法，进一步包含基于每个转移轨道期间的所述电功率平衡调整每个转移轨道期间一起点火所述推力器的时间持续时间。

条款7：根据条款1所述的方法，进一步包含确定每个转移轨道的阳光持续时间的优化的部分，在此期间所述推力器一起被点火。

条款8：根据条款1所述的方法，进一步包含点火所述推力器中的至少一个至少部分地进入所述下一个日食。

条款9：根据条款1所述的方法，其中点火所述第一推力器包含点火多于一个第一推力器。

条款10：根据条款1所述的方法，其中点火所述第二推力器包含点火多于一个第二推力器。

条款11：根据条款1所述的方法，其中监测所述电功率平衡、点火所述第一推力器和所述第二推力器以及结束点火所述第一推力器和所述第二推力器由所述设备上的控制电子器件来控制。

条款12：根据条款1所述的方法，其中监测所述电功率平衡、点火所述第一推力器和所述第二推力器以及结束点火所述第一推力器和所述第二推力器至少部分地由地面网络来控制。

条款13：一种设备，被配置用于利用分级推力器执行来提供优化的功率平衡的低推力转移轨道以最小化所述设备的电轨道提升持续时间，所述设备包含控制电子器件，所述控制电子器件被配置为：在所述电轨道提升的多个转移轨道中的每个转移轨道期间监测所述设备上的电功率平衡；响应于所述设备离开日食并且基于所述电功率平衡而点火第一推力器；在点火所述第一推力器之后以预定时间延迟并且基于所述电功率平衡点火第二推力器；基于所述电功率平衡在预定时间持续时间之后结束点火所述第一推力器或所述第二推力器中的一个；以及响应于所述设备进入下一个日食而结束点火所述第一推力器或所述第二推力器中的另一个。

条款14：根据条款13所述的设备，其中所述第一推力器在第一预定推力器功率水平被点火，并且所述第二推力器在第二预定推力器功率水平被点火。

条款15：根据条款14所述的设备，其中所述第一预定推力器功率水平和所述第二预定推力器功率水平大约相等。

条款16：根据条款14所述的设备，其中所述第一预定推力器功率水平和所述第二预定推力器功率水平约为最大推力器功率水平。

条款17：根据条款13所述的设备，其中所述控制电子器件被进一步配置为基于每个转移轨道期间的所述电功率平衡调整在每个转移轨道期间的每个推力器的推力器功率水平。

条款18：根据条款13所述的设备，其中所述控制电子器件被进一步配置为基于每个转移轨道期间的所述电功率平衡调整在每个转移轨道期间一起点火所述推力器的时间持续时间。

条款19：根据条款13所述的设备，其中所述控制电子器件被进一步配置为确定每个转移轨道的阳光持续时间的优化的部分，在此期间所述推力器一起被点火。

条款20：根据条款13所述的设备，其中所述推力器中的至少一个被点火至少部分地进入所述下一个日食。

虽然在本文中图示和描述了具体实施例，但是本领域技术人员应当理解，被计算以实现相同目的的任何布置可以代替示出的具体实施例，并且在其他环境中实施例可以具有其他应用。本申请旨在涵盖任何修改或变型。下面的权利要求绝非旨在将本公开的实施例的范围局限于本文所描述的具体实施例。