满足地面站可见性约束的LEO至HEO变轨设计方法

本发明涉及卫星轨道控制，具体地，涉及一种满足地面站可见性约束的leo至heo多次变轨设计方法，同时涉及一种相应的多次变轨设计系统、计算机终端和计算机可读存储介质。

背景技术：

1、近年来，我国启动了一系列科学卫星的项目预研和工程立项，不断拓展人类对宇宙认知的边界。其中，以smile卫星和mit星座为代表的部分科学卫星将高椭圆轨道(heo)作为科学观测的目标轨道。对于目标轨道为heo的卫星，一般首先由运载火箭将卫星送入近地轨道(leo)，然后通过卫星上安装的发动机点火，在一定时间内完成向heo轨道的转移。受发动机推力限制，并出于减少燃料弧段损失的考虑，整个轨道转移过程需分解为几次乃至十几次变轨机动。

2、现有技术从如何达到目标轨道以及如何节省燃料的角度对轨道转移过程进行了设计。经过检索发现：《卫星轨道转移策略确定方法以及装置》(cn115535307b)提出了根据卫星的当前位置和每个飞行区域对应的轨道转移策略，从而确定卫星的目标轨道转移策略的方法；《一种燃料最优的连续小推力轨道转移方法》(cn113955153a)提出了基于值函数近似的动态规划算法，实现燃料最优的连续小推力航天器的轨道转移最优控制；《一种基于有限推力有限工作时间情况下的航天器精确入轨控制方法》(cn109398763b)提出了一种基于有限推力有限工作时间情况下的航天器精确入轨控制方法；《地球静止卫星化学推进和电推进接续变轨策略优化方法》(cn114715437a)提出了通过采用最优两脉冲转移估计电推进阶段能耗，实现化学推进和电推进接续变轨的整体优化。

3、在卫星从leo变轨至heo的工程实践中，出于提高变轨安全性和便于快速应急处置的考虑，应尽可能对大推力轨控发动机的工作状态进行实时监测。在地面站资源有限的条件下，至少要保证发动机点火的关机点在预设地面站观测范围内，以确认发动机正常关闭，保证整个轨道转移过程的可靠性。在上述现有技术中均未涉及考虑满足地面站可见性约束的变轨设计。对于从leo转移至heo航天器，变轨次数多达十几次。尤其是在地面站资源有限的条件下，既要达到目标轨道，又要让每次变轨满足地面站可见性约束，具有较大的设计难度。

4、卫星从leo变轨至heo的工程实践中，考虑变轨安全性和卫星应急处置，应尽可能对大推力轨控发动机的工作状态进行实时监测。在地面站资源有限的条件下，至少要保证发动机点火的关机点在预设地面站观测范围内，以确认发动机正常关闭，提高整个轨道转移过程的可靠性。

5、现有技术主要从如何达到目标轨道以及如何节约燃料的角度对变轨过程进行了设计，这些设计尽管在理论上可以使航天器达到目标轨道或优化燃料消耗，但未考虑每次变轨的地面站可见性约束，直接应用难度大、风险高。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种满足地面站可见性约束的leo至heo变轨设计方法，同时提供了一种相应的多次变轨设计系统、计算机终端和计算机可读存储介质。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种满足地面站可见性约束的leo至heo变轨设计方法，包括：

3、初步确定leo至heo的变轨次数和点火时长；

4、根据所述变轨次数和所述点火时长，对目标轨道参数打靶；

5、调整初始轨道纪元，使发动机首次关机点可见；

6、调整各次机动的发动机点火时长，使发动机所有关机点可见；

7、判断发动机关机点可观测性；如果为可观测，则结束变轨设计；如果为不可观测，则返回上一个步骤，重新调整调整各次机动的发动机点火时长，直至发动机关机点为可观测，完成leo至heo多次变轨设计。

8、优选地，所述初步确定变轨次数与点火时长，包括：

9、根据霍曼转移原理，分别计算得到初始轨道转移至目标轨道的抬升远地点和抬升近地点的理论速度增量，结合主发动机推力和比冲大小，分别计算抬升远地点和抬升近地点的发动机点火总时长为：

10、

11、式中，t为抬升远地点或抬升近地点的发动机点火总时长，isp为发动机比冲，f为发动机推力，mi为卫星初始质量，g为重力加速度，δv为抬升远地点/近地点的速度增量；

12、根据任务要求将抬升远地点分解为n次变轨机动，将抬升近地点分解为m次变轨机动；根据总时长，设置每一次变轨机动时所述抬升远地点和/或所述抬升近地点的发动机点火时长的预设值，对抬升远地点和/或抬升近地点的发动机点火时长进行分配。

13、优选地，所述根据总时长，设置每一次变轨机动时所述抬升远地点和/或所述抬升近地点的发动机点火时长的预设值，包括：

14、将抬升远地点和/或抬升近地点的点火总时长平均值作为任意一次抬升远地点和/或抬升近地点的点火时长的预设值。

15、优选地，所述根据总时长，设置每一次变轨机动时所述抬升远地点和/或所述抬升近地点的发动机点火时长的预设值，包括：

16、根据任务具体要求对每一次抬升远地点和/或近地点的点火时长的预设值进行自行设置，所有预测值之和不大于总时长。

17、优选地，所述对目标轨道参数打靶，包括：

18、采用微分校正法对目标轨道参数打靶，在不考虑地面站可见性约束的前提下，根据确定的变轨次数与点火时长进行目标轨道参数打靶，其控制方程为：

19、y＝f(x)＝yd

20、式中，x为控制变量，y为结果变量，f(x)为轨道外推函数，yd为目标轨道参数；

21、采用迭代法对所述控制变量进行解算，则第k次迭代方程为：

22、

23、式中，为雅可比矩阵jk的逆矩阵或伪逆矩阵；雅可比矩阵jk由向前差分法计算，其第i列为：

24、

25、式中，δ为摄动量；

26、持续进行迭代过程，直至偏差矩阵f(xk)-yd中的各元素均小于容错值。

27、优选地，所述调整初始轨道纪元，包括：

28、将发动机首次点火的关机点作为特征点，调整初始轨道纪元，利用地球自转使发动机首次点火关机点的星下点轨迹在预设站附近，满足地面站可见性约束ε＞ε0，式中，ε为卫星相对地面站的仰角，ε0为卫星可见的仰角阈值；

29、根据星下点地理经度差距计算得到初始轨道纪元设计结果为：

30、jd＝jd0+(l0-lf)/360

31、式中，jd为调整后的初始轨道纪元，jd0为卫星入轨的初始轨道纪元，l0为特征点星下点的地理经度，lf为预设地面站的地理经度。

32、优选地，所述调整各次机动的发动机点火时长，包括：

33、采用步进法对发动机点火时长进行调整；其中：

34、在点火时长预设值基础上，当任意一次发动机关机点的星下点位于预设测站的西侧时，则缩短轨道周期，将上一次发动机点火时长减小一个时间步长为：

35、ti+1＝ti-δt

36、式中，δt为时间步长，ti为调整前的点火时长预设值，ti+1为调整后的点火时长；

37、当任意一次发动机关机点的星下点位于预设测站的东侧时，则延长轨道周期，将上一次发动机点火时长增加一个时间步长为：

38、ti+1＝ti+δt

39、不断调整发动机点火时长，使发动机关机点的星下点位于预设测站周围，满足地面站可见性约束ε＞ε0，进而获得该次变轨点火时长；

40、通过上述步进法不断调整，可获得前n-1次抬升远地点机动和前m-1次抬升近地点机动的点火时长，使前n-1次抬升远地点机动和前m-1次抬升近地点机动的发动机关机点均满足地面站可见性约束ε＞ε0；

41、第n次抬升远地点机动和第m次抬升近地点机动的点火时长通过对目标轨道参数再次打靶获得；选择合适的轨次执行第n次抬升远地点机动和第m次抬升近地点机动，使第n次与第n-1次抬升远地点机动的时间间隔、第m次与第m-1次抬升近地点机动的时间间隔为24小时或24小时的倍数左右，进而使得第n次抬升远地点机动和第m次抬升近地点机动发动机关机点星下点仍分布在预设测站附近，满足地面站可见性约束ε＞ε0。

42、根据本发明的另一个方面，提供了一种满足地面站可见性约束的leo至heo变轨设计系统，包括：

43、参数设定模块，该模块用于初步确定leo至heo的变轨次数和点火时长；

44、参数打靶模块，该模块用于根据所述变轨次数和所述点火时长，对目标轨道参数打靶；

45、轨道调整模块，该模块用于调整初始轨道纪元，使发动机首次关机点可见；

46、点火时长调整模块，该模块用于调整各次机动的发动机点火时长，使发动机所有关机点可见；

47、关机点可见判断模块，该模块用于判断发动机关机点可观测性；如果为可观测，则结束变轨设计；如果为不可观测，则返回点火时长调整模块，重新调整调整各次机动的发动机点火时长，直至发动机关机点为可观测，完成leo至heo多次变轨设计。

48、根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时可用于执行本发明上述中任一项所述的方法，或，运行本发明上述中任一项所述的系统。

49、根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可用于执行本发明上述中任一项所述的方法，或，运行本发明上述中任一项所述的系统。

50、由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

51、本发明提供的满足地面站可见性约束的leo至heo变轨设计方法，整体上采用多步求解思路，即根据变轨次数和点火时长，对目标轨道参数打靶时仅满足目标轨道约束，未考虑地面站可见性约束；整初始轨道纪元，使发动机首次关机点可见时仅首次关机点满足地面站可见性约束；调整各次机动的发动机点火时长，使发动机所有关机点可见时所有关机点均满足地面站可见性约束；实现约束由简单到复杂逐级递增，解决了leo至heo多次变轨过程中既要达到目标轨道，又通过调整初始轨道纪元以及调整各次机动的发动机点火时长实现每次变轨满足地面站可见性约束的问题，填补了相关技术空白，具有良好的工程应用价值。

52、本发明提供的满足地面站可见性约束的leo至heo变轨设计方法，采用微分校正法，在不考虑地面站可见性约束的前提下，对目标轨道参数打靶，获得合理的控制变量值。

53、本发明提供的满足地面站可见性约束的leo至heo变轨设计方法，采用步进法对变轨机动的点火时长进行调整，使所有轨控发动机关机点可观测。

54、本发明提供的满足地面站可见性约束的leo至heo变轨设计方法，可保证发动机点火的关机点在预设地面站观测范围内，以确认发动机正常关闭，提高了整个轨道转移过程的安全性和可靠性。

55、本发明提供的满足地面站可见性约束的leo至heo变轨设计方法，可成功应用于smile卫星的轨道转移设计中。