本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法，涉及一種混合衛(wèi)星編隊方法，尤其涉及一種用于地球靜止軌道上的混合衛(wèi)星編隊方法，屬于衛(wèi)星編隊
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：地球靜止軌道是赤道上空約35800km高度與地球同步自轉(zhuǎn)的圓軌道，在該軌道上運行的衛(wèi)星保持對地靜止，且能夠幾乎覆蓋半個地球，因此在通信、遙感、導(dǎo)航、預(yù)警、數(shù)據(jù)中繼和氣象等民用和軍用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛(梁斌,徐文福,李成,劉宇.地球靜止軌道在軌服務(wù)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].宇航學(xué)報.2010,31(1):1-13)。典型的地球靜止軌道衛(wèi)星的定點精度為±0.1°，結(jié)合避撞和防干擾等要求可知，理論上靜止軌道容納衛(wèi)星的數(shù)量上限是1800顆。然而實際上，寶貴的靜止軌道資源遠(yuǎn)比此要緊張。一方面，近幾十年來人類不受節(jié)制的航天活動在靜止軌道附近產(chǎn)生了大量的空間碎片(廢棄衛(wèi)星、火箭上面級、爆炸物等)；另一方面，出于備份星或所在區(qū)域國家的應(yīng)用要求，需要多顆星共享同一定點經(jīng)度。為了緩解地球靜止衛(wèi)星軌位緊張的問題，學(xué)者們提出了雙星或多星共位概念，并設(shè)計了共位控制策略(李恒年,高益軍,余培軍,李濟(jì)生,黃永宣.地球靜止軌道共位控制策略研究[J].宇航學(xué)報.2009,30(3):967-973)。對靜止軌道衛(wèi)星的共位控制需要消耗燃料，這對衛(wèi)星的在軌壽命產(chǎn)生了一定的影響。另外，目前已知的共位控制策略主要針對四顆星以下的共位編隊，當(dāng)共位衛(wèi)星較多時，控制策略非常復(fù)雜，燃料消耗巨大，難以設(shè)計實現(xiàn)。上世紀(jì)六十年代，Cover等人首次提出利用庫倫力來展開反射膜結(jié)構(gòu)(Cover,J.H.,Knauer,W.,andMaurer,H.A.LightweightReflectingStructuresUtilizingElectrostaticInflation.U.S.Patent3,546,706,Oct.1966.)。隨后，該創(chuàng)新概念被應(yīng)用于地球靜止軌道附近的編隊飛行任務(wù)設(shè)計。通過主動釋放負(fù)電子或正離子可以使航天器自身帶電，從而在航天器間產(chǎn)生庫倫力，進(jìn)而可控制航天器的相對運動。因為使航天器帶電的過程幾乎不消耗燃料，因此庫倫力對應(yīng)的比沖可以達(dá)到1013s，且不會產(chǎn)生任何羽流污染。如果將庫倫編隊概念與經(jīng)典的繩系編隊概念進(jìn)行結(jié)合，則有可能設(shè)計出靜止軌道上的無需燃料消耗的共位編隊。通過繩連接實現(xiàn)整個編隊系統(tǒng)的重力梯度穩(wěn)定，通過庫倫排斥力使各航天器處于靜平衡位置，從而保持對地靜止，極大的拓展靜止軌道的衛(wèi)星容量。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對地球靜止軌道星位資源緊張的問題，本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法，要解決的技術(shù)問題是實現(xiàn)多星共位編隊，拓展地球靜止軌道衛(wèi)星容量，同時，可降低編隊維持和重構(gòu)控制的燃料消耗。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法，通過將N顆主星和兩顆輔星一起發(fā)射進(jìn)入地球靜止軌道，所述的兩顆輔星通過繩子與每顆主星相連接。借助繩子收放裝置逐步放出繩子，在重力梯度力的拉拽作用下，控制兩顆輔星分別向鉛垂方向的上方和下方同步運動，最終使兩顆輔星分別位于主星平面的鉛垂正上方和正下方。所述的N顆主星上均安裝有通過發(fā)射電子使自身帶電的電子槍，繩子釋放到預(yù)定長度時，通過電子槍使各主星帶同種電荷且電量相等，在庫倫力的排斥作用下主星向四周分開至N顆主星位于地球靜止軌道附近，構(gòu)成多邊形構(gòu)型，編隊平面面向地球，所述的衛(wèi)星編隊平衡構(gòu)型通過庫倫排斥力和重力梯度力共同維持。當(dāng)衛(wèi)星編隊構(gòu)型需要改變時，通過調(diào)節(jié)各主星的帶電量精確控制和改變編隊平衡構(gòu)型。本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法。由于衛(wèi)星編隊平衡構(gòu)型能夠通過調(diào)節(jié)各主星帶電量來改變編隊構(gòu)型，即根據(jù)實際應(yīng)用的需求進(jìn)行編隊重構(gòu)，從而在對地干涉測量方面也有潛在的應(yīng)用價值。本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法，包括如下步驟：步驟一：將N顆主星和兩顆輔星一起發(fā)射進(jìn)入地球靜止軌道。所述的N顆主星的數(shù)量N根據(jù)衛(wèi)星共位編隊實際應(yīng)用需求而定。步驟二：釋放繩子和部署輔星。兩顆輔星通過繩子與每顆主星相連接，借助繩子收放裝置逐步放出繩子，在重力梯度力的拉拽作用下，控制兩顆輔星分別向鉛垂方向的上方和下方同步運動，直至兩顆輔星分別位于主星平面的鉛垂正上方和正下方。步驟三：使每顆主星帶電，借助輔星產(chǎn)生的重力梯度穩(wěn)定效應(yīng)和主星間的庫倫排斥力實現(xiàn)衛(wèi)星編隊平衡構(gòu)型。繩子釋放到預(yù)定長度時，輔星在N根繩子的拉力和重力梯度力的作用下實現(xiàn)平衡，力平衡關(guān)系滿足公式(1)，N·Ftcosθ＝3mAlAΩ2(1)其中，N為主星個數(shù)；Ft為繩子張力；θ是繩子與鉛垂方向的夾角；mA是輔星的質(zhì)量；lA是輔星到編隊中心的距離；Ω是地球靜止軌道角速度。通過電子槍使各主星帶同種電荷且電量相等，在庫倫力的排斥作用下主星向四周分開至N顆主星位于地球靜止軌道附近，每顆主星在分別與輔星連接的兩根繩子的拉力和其余主星的庫倫排斥力的作用下實現(xiàn)平衡，力平衡關(guān)系滿足公式(2)，其中，N為主星個數(shù)；Ft為繩子張力；θ是繩子與鉛垂方向的夾角；kc是庫倫靜電常數(shù)；q是每顆主星的帶電量；ld是主星到編隊中心的距離。聯(lián)立(1)和(2)可解出主星帶電量q和編隊幾何參數(shù)ld之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如公式(3)，q2=12mAΩ2ld3Nkcδ---(3)]]>其中，δ表示一個求和項，δ的數(shù)值根據(jù)主星數(shù)量N的奇偶性而有所不同。每顆主星和兩顆輔星在繩子拉力和庫倫排斥力的共同作用下實現(xiàn)平衡即構(gòu)成多邊形構(gòu)型衛(wèi)星編隊，編隊平面面向地球。當(dāng)衛(wèi)星編隊構(gòu)型需要改變時，還包括步驟四：通過調(diào)節(jié)各主星的帶電量，改變重力梯度力和庫倫排斥力之間的舊平衡，建立起新平衡，新平衡中主星帶電量q和編隊幾何參數(shù)ld之間的數(shù)學(xué)關(guān)系也需滿足公式(3)，從而實現(xiàn)精確控制和改變編隊平衡構(gòu)型。由于本發(fā)明中的衛(wèi)星編隊平衡構(gòu)型能夠根據(jù)實際應(yīng)用需求進(jìn)行重構(gòu)，從而在對地干涉測量方面也有潛在的應(yīng)用價值。有益效果：1、本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法，可以充分利用重力梯度力和庫倫力來達(dá)到系統(tǒng)的整體平衡和穩(wěn)定，無需借助發(fā)動機(jī)進(jìn)行編隊維持，無需設(shè)計共位控制策略，只需通過電子槍使航天器帶電，因此，比沖可以達(dá)到1013s，極大的降低任務(wù)燃料消耗，且理論上能夠應(yīng)用于任意數(shù)量的靜止軌道衛(wèi)星共位編隊，提升共位星數(shù)量上限。2、本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法，不需要消耗任何化學(xué)推進(jìn)劑，因此不會產(chǎn)生任何羽流污染。3、本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法，相比于傳統(tǒng)的純繩系編隊，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)靜平衡，而且僅通過調(diào)節(jié)各主星的帶電量就可精確控制和改變編隊構(gòu)型，從而在對地干涉測量方面也有潛在的應(yīng)用價值。附圖說明圖1本發(fā)明構(gòu)建的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊系統(tǒng)的示意圖；圖2為本發(fā)明公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法的工作流程圖；圖3為上方輔星的力平衡示意圖；圖4為主星的力平衡示意圖；圖5為實施例(N＝5)中各主星到編隊中心的距離的時間歷程；圖6為實施例(N＝5)中相鄰主星間夾角的時間歷程；圖7為實施例(N＝8)中各主星到編隊中心的距離的時間歷程；圖8為實施例(N＝8)中相鄰主星間夾角的時間歷程。具體實施方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實施例1：為了驗證方法的可行性，選擇由五顆主星和兩顆輔星組成的混合編隊系統(tǒng)，即N＝5。編隊的幾何和物理參數(shù)列在表1中。表1編隊的幾何和物理參數(shù)主星和中心的距離ld50m輔星和中心的距離lA10000m軌道角速度Ω7.2915×10-5rad/s庫倫靜電常數(shù)kc8.988×109Nm2/C2輔星質(zhì)量mA1000kg繩子剛度系數(shù)22.1N/m繩子阻尼系數(shù)0.245kg/s本實施例公開的一種地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊方法，包括如下步驟：針對N＝5的地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊，可按照以下步驟進(jìn)行部署展開：步驟一：將N顆主星和兩顆輔星一起發(fā)射進(jìn)入地球靜止軌道；步驟二：借助繩子收放裝置逐步放出繩子，在重力梯度力的拉拽作用下，控制兩顆輔星分別向鉛垂方向的上方和下方同步運動，當(dāng)繩長達(dá)到米時，停止釋放繩子；步驟三：通過電子槍使各主星帶同種電荷且電量相等，由公式(3)可算出各主星的帶電量為8.029×10-6C。在庫倫力的排斥作用下，主星向四周分開。輔星在N根繩子的拉力和重力梯度力的作用下實現(xiàn)平衡，每顆主星在兩根繩子的拉力和其余主星的庫倫排斥力的作用下實現(xiàn)平衡。附圖5繪出了每顆主星與編隊中心距離的時間歷程，可以看到該距離在其名義值50米和49.5米之間做微幅振蕩。附圖6繪出了相鄰主星間的夾角的時間歷程，每個夾角均保持在其名義值72°附近做微幅振蕩。由此可見，該編隊系統(tǒng)接近于靜平衡狀態(tài)，每顆主星相對于地球均近似處于靜止?fàn)顟B(tài)。為了實現(xiàn)衛(wèi)星編隊構(gòu)型變化，還包括步驟四：比如改變每顆主星與編隊中心的距離ld，可以通過調(diào)整主星電量q來實現(xiàn)。q和ld的函數(shù)關(guān)系由公式(3)表示。不同的衛(wèi)星編隊構(gòu)型ld所需的主星帶電量q由表2給出。由于本實施例中的衛(wèi)星編隊平衡構(gòu)型能夠根據(jù)實際應(yīng)用需求進(jìn)行重構(gòu)，從而在對地干涉測量方面也有潛在的應(yīng)用價值。表2編隊構(gòu)型的幾何參數(shù)和主星帶電量的對應(yīng)關(guān)系主星和中心的距離ld主星帶電量q10m7.181×10-7C50m8.029×10-6C90m1.939×10-5C130m3.366×10-5C170m5.034×10-5C210m6.911×10-5C實施例2：為了驗證方法的可行性，選擇由八顆主星和兩顆輔星組成的混合編隊系統(tǒng)，即N＝8。編隊的幾何和物理參數(shù)參見前述表1。針對N＝8的地球靜止軌道上的繩系-庫侖力混合衛(wèi)星編隊，可按照以下步驟進(jìn)行部署展開：步驟一：將N顆主星和兩顆輔星一起發(fā)射進(jìn)入地球靜止軌道；步驟二：借助繩子收放裝置逐步放出繩子，在重力梯度力的拉拽作用下，控制兩顆輔星分別向鉛垂方向的上方和下方同步運動，當(dāng)繩長達(dá)到米時，停止釋放繩子；步驟三：通過電子槍使各主星帶同種電荷且電量相等，由公式(3)可算出各主星的帶電量為4.446×10-6C。在庫倫力的排斥作用下，主星向四周分開。輔星在N根繩子的拉力和重力梯度力的作用下實現(xiàn)平衡，每顆主星在兩根繩子的拉力和其余主星的庫倫排斥力的作用下實現(xiàn)平衡。附圖7繪出了每顆主星與編隊中心距離的時間歷程，可以看到該距離在其名義值50米和49米之間做微幅振蕩。附圖8繪出了相鄰主星間的夾角的時間歷程，每個夾角均保持在其名義值45°附近做微幅振蕩。由此可見，該編隊系統(tǒng)接近于靜平衡狀態(tài)，每顆主星相對于地球均近似處于靜止?fàn)顟B(tài)。為了實現(xiàn)衛(wèi)星編隊構(gòu)型變化，還包括步驟四：比如改變每顆主星與編隊中心的距離ld，可以通過調(diào)整主星電量q來實現(xiàn)。q和ld的函數(shù)關(guān)系由公式(3)表示。不同的衛(wèi)星編隊構(gòu)型ld所需的主星帶電量q由表3給出。表3編隊構(gòu)型的幾何參數(shù)和主星帶電量的對應(yīng)關(guān)系主星和中心的距離ld主星帶電量q10m3.977×10-7C50m4.446×10-6C90m1.074×10-5C130m1.864×10-5C170m2.788×10-5C210m3.827×10-5C由于本實施例中的衛(wèi)星編隊平衡構(gòu)型能夠根據(jù)實際應(yīng)用需求進(jìn)行重構(gòu)，從而在對地干涉測量方面也有潛在的應(yīng)用價值。以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3