一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法与流程

一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法
【技术领域】
1.本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法。


背景技术：

2.圆轨道卫星具有全球覆盖、地面分辨率均匀等独特优势，但面向重点关注区域成像时，圆轨道难以保证对重点关注区域内目标快速重访。椭圆轨道具有远地点运动速度慢、覆盖区域大、相对地面滞留时间长等特点，因此利用其远地点特性可对重点区域内目标高重访。2000km～10000km高度的中轨轨道具有“高重访、常驻留”的特点，该高度轨道的遥感卫星可具备有较好的持续成像能力。中轨道卫星可以有效弥补低轨卫星重访时间长、高轨卫星分辨率低的天然缺陷，但考虑中轨椭圆轨道在范艾伦辐射带附近甚至穿越辐射带飞行，空间辐照环境是影响卫星空间任务设计的关键因素。
3.范艾伦辐射带，指在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能粒子辐射带，分为内外两层，内外层之间存在范艾伦带缝，缝中辐射很少。
4.当前卫星轨道设计时通常从任务需求出发设计轨道，再针对设计轨道的辐照环境，采用常规的单机铝外壳屏蔽辐射粒子。本发明针对中轨椭圆轨道特殊辐照环境，对中轨椭圆冻结轨道进行了优化改进。


技术实现要素：

5.本发明的目的是，提供一种从源头减少高能质子电离辐射剂量的中轨椭圆轨道优化方法。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，包括以下步骤：
7.s1、根据任务需求，初步选取中轨椭圆轨道轨道倾角、近地点高度与远地点高度、近地点幅角取值范围；
8.s2、针对初始轨道辐照环境设立中轨椭圆轨道优化目标；
9.s3、根据赤道处质子辐射通量、观测分辨率、任务覆盖性约束选取参数，将优化目标转换为数学模型；
10.s4、根据数学模型，进行非线性规划，得到满足约束的所有半长轴、偏心率、近地点辐角的取值，根据实际需求确定最终优化后的中轨椭圆轨道。
11.优选地，上述的一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，步骤s1：轨道倾角i选取临界倾角轨道，即i＝63.4
°
或116.6
°
；考虑气动阻力、范艾伦辐射带以及光学遥感卫星载荷的要求，近地点高度h
p
与远地点高度ha选取范围通过调整近地点幅角ω将远地点冻结在观测目标点上空，
近地点幅角ω与观测目标点所在纬度的关系为
12.优选地，上述的一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，步骤s2具体包括以下步骤：
13.s21、分析所选初始中轨椭圆轨道运行期间空间环境辐照情况；
14.s22、设立中轨椭圆轨道优化目标，包括：近赤道附近无能量大于a mev的质子，即赤道处轨道高度应在[m km，n km]范围内；确保北半球常驻留特性，满足b天内北半球的一次全覆盖观测，即远地点高度需大于e km，近地点高度需小于f km；观测分辨率约束下的远地点轨道高度应不大于c km，减少轨道维持频次约束下近地点高度应不小于d km。
[0015]
优选地，上述的一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，步骤s21：所述空间环境辐照情况是指质子辐照情况、辐照总剂量。
[0016]
优选地，上述的一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，步骤s22：确保北半球常驻留特性包括远地点冻结在北半球，轨道周期内60％的时间可以对北半球进行观测。
[0017]
优选地，上述步骤s3所述数学模型为：式中，参数c、d、e、f、m、n需根据赤道处质子辐射通量、观测分辨率、任务覆盖性约束选取，re表示地球半径、e表示轨道偏心率、a表示轨道半长轴。
[0018]
优选地，上述的一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，步骤s4：以半长轴a、偏心率e、近地点辐角w三个变量为自变量，对所述数学模型，进行非线性规划，得到满足约束的所有半长轴、偏心率、近地点辐角的取值，并根据实际需求选取最终优化后的中轨椭圆轨道。
[0019]
优选地，上述实际需求是满足约束的偏心率最大的中轨椭圆轨道。
[0020]
本发明一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法有如下有益效果：考虑赤道处质子辐射通量、观测分辨率、任务覆盖性等约束，对中轨椭圆轨道进行优化设计，从源头减少高能质子的电离辐射剂量。
【附图说明】
[0021]
图1是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法步骤图。
[0022]
图2是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法轨道优化示例所有近地点高度、远地点高度、近地点辐角示意图。
[0023]
图3是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法轨道优化示例近地点辐角取270
°
时满足约束的近地点高度、远地点范围示意图。
[0024]
图4是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法轨道优化示例近地点辐角取210
°
时满足约束的近地点高度、远地点范围示意图。
【具体实施方式】
[0025]
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
[0026]
实施例
[0027]
本实施例实现一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法。
[0028]
当前卫星轨道设计时通常从任务需求出发设计轨道，再针对设计轨道的辐照环境，采用常规的单机铝外壳屏蔽辐射粒子。本实施例实现一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，针对中轨椭圆轨道特殊辐照环境，从源头减少高能质子的电离辐射剂量。
[0029]
图1是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法步骤图。如附图1所示，本实施例一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，包括以下步骤。
[0030]
步骤1：根据任务需求进行轨道初步设计。
[0031]
步骤1.1：轨道倾角i选取：考虑到轨道半长轴在惯性空间内不转动，即拱线不进动，选取临界倾角轨道，即i＝63.4
°
或116.6
°
。
[0032]
步骤1.2：近地点高度h
p
与远地点高度ha选取：考虑气动阻力、范艾伦辐射带以及光学遥感卫星载荷的要求，近地点高度h
p
与远地点高度ha选取范围如下：
[0033]
350km≤h
p
≤1500km
[0034]
5000km≤ha≤12000km
[0035]
步骤1.3：近地点幅角ω选取：通过调整近地点幅角ω可以将远地点冻结在观测目标点上空，近地点幅角ω与观测目标点所在纬度的关系为：
[0036][0037]
步骤2：针对初始轨道辐照环境设立轨道优化目标。
[0038]
步骤2.1：采用spenvis(space environment information system空间环境信息系统)软件分析所选初始轨道运行期间质子辐照情况、辐照总剂量等空间环境辐照情况。
[0039]
步骤2.2：设立轨道优化目标，主要包括：
[0040]
(1)近赤道附近的能量大于amev(a的具体取值根据卫星屏蔽厚度决定)的质子尽可能少。mev是个能量单位，m是词头，1m＝1000000(一百万)ev是电子伏。
[0041]
(2)确保北半球常驻留特性：
[0042]
1)远地点冻结在北半球；
[0043]
2)轨道周期内60％的时间可以对北半球进行观测；
[0044]
(3)b天内可实现北半球的一次全覆盖观测。
[0045]
(4)观测分辨率约束下的远地点轨道高度应不大于c km。
[0046]
(5)减少轨道维持频次约束下近地点高度应不小于d km。
[0047]
步骤3：根据优化目标计算并选取轨道。
[0048]
步骤3.1：优化目标转换为如下数学模型，式中参数c、d、e、f、m、n需根据赤道处质子辐射通量、观测分辨率、任务覆盖性等约束选取。
[0049][0050]
式中，re表示地球半径、e表示轨道偏心率、a表示轨道半长轴。
[0051]
步骤3.2：以半长轴a、偏心率e、近地点辐角w三个变量为自变量，对步骤3.1中建立的数学模型，进行非线性规划，得到满足约束的所有半长轴、偏心率、近地点辐角的取值，并根据实际需求(如满足约束的偏心率最大的轨道)选取最终优化后的轨道。非线性规划是一种求解目标函数或约束条件中有一个或几个非线性函数的最优化问题的方法。
[0052]
本实施例一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，轨道优化示例。
[0053]
初始轨道的参数如下表所示。
[0054]
轨道倾角近地点高度远地点高度近地点辐角63.4
°
500km5000km270
°
[0055]
对初始轨道进行优化，优化目标数学模型为：
[0056][0057]
图2是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法轨道优化示例所有近地点高度、远地点高度、近地点辐角示意图。如附图2所示，满足以上约束的所有近地点高度、远地点高度、近地点辐角，颜色灰度深浅表示对应的不同近地点高度，可以看出，近地点辐角在270
°
附近、180
°
～240
°
、300
°
～360
°
三个区域内分布，选取两个典型值(ω＝210
°
、270
°
)进一步分析。
[0058]
图3是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法轨道优化示例近地点辐角取270
°
时满足约束的近地点高度、远地点范围示意图。图4是一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法轨道优化示例近地点辐角取210
°
时满足约束的近地点高度、远地点范围示意图。如附图3、附图4所示，近地点辐角分别取270
°
与210
°
时，满足约束的近地点高度、远地点范围。选取偏心率最大的轨道作为优化后的轨道，其轨道参数如下表所示。
[0059] 轨道倾角近地点高度远地点高度近地点辐角轨道163.4
°
350km3400km270
°
轨道263.4
°
350km8000km210
°
[0060]
总之，本实施例实现一种考虑辐照环境与任务效能的中轨椭圆轨道优化方法，考虑赤道处质子辐射通量、观测分辨率、任务覆盖性等约束，对轨道进行优化设计，从源头减少高能质子的电离辐射剂量。
[0061]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0062]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。