对GEO卫星照相的HEO卫星变轨策略研究

　　随着空间技术在政治、经济、军事和文化领域的应用和发展,国家对于空间的依赖性不断增强,地球同步轨道卫星担负着指挥、通信、侦察、预警、控制、导航和天气预报等任务,是一种重要且有限的空间资源。对地球同步轨道卫星的维护、监测等也越来越受到各国重视。轨道恢复公司研制了“地球同步航天器寿命延长系统”,以实现电信卫星轨道保持。美国的多功能追踪器平台以空间站作基地,主要可用于地球同步轨道、月球轨道,甚至行星和行星际空间的转移运输任务。担负对地球同步轨道卫星的监测、维护等任务的卫星及其轨道设计成为研究的重点。文献[1-5]对相关的轨道机动和维持技术进行了具体研究。

　　本文以光学成像卫星对地球同步轨道卫星抵近照相为背景,研究、设计了光学成像卫星的轨道,提出了合理的变轨策略。本文的技术研究也具有潜在的军事应用前景,可实现对敌方相关目标的接近与锁定。为描述问题方便称地球同步轨道为目标轨道,光学成像卫星的轨道为任务轨道,光学成像卫星为任务卫星。

　　1　任务轨道分析与设计

　　文中把任务轨道设计为轨道周期约为12h,轨道倾角约为0°的大椭圆轨道,使轨道远地点在目标卫星轨道附近,任务卫星每次到达远地点附近就有可能接近一颗地球同步轨道卫星。利用轨道参数的调节可以实现对所有地球同步轨道卫星的依次接近。

　　针对不同的被照相地球同步轨道卫星目标,从能量较优的角度出发,通过调整任务轨道的远地点位置和近地点高度来实现对目标卫星近距离照相的要求。调整远地点位置是为了使轨道远地点在特定时刻经过指定经度上空,以保证足够接近目标卫星轨道;调整近地点高度是为了通过调节轨道周期以实现任务卫星能够在远地点对目标进行照相。若提高大椭圆轨道近地点高度,则轨道周期变长,任务卫星从时间上滞后到达远地点,隔圈不接近同一颗目标卫星,可以接近上颗卫星西侧的另一颗卫星;若降低大椭圆轨道近地点高度,则轨道周期变短,任务卫星从时间上提前到达远地点,隔圈到达远地点时会到达上一颗接近卫星的东侧。通过这种手段就可以依次接近不同的地球同步轨道卫星。假设任务卫星到达任务轨道远地点时刚好和一颗地球同步轨道卫星交会,为使任务卫星每隔一圈到达远地点都能与同一颗地球同步轨道卫星交会,则其轨道的近地点高度必须经过精心设计。下面讨论、设计任务轨道近地点高度并对交会问题进行数学描述。考虑地球扁率J2项摄动,任务轨道卫星的近地点幅角变化率ω·和升交点赤经变化率Ω·见参考文献[6],卫星远地点在地心惯性坐标系中转动角速度可描述为