地球靜止衛(wèi)星軌道與共位控制技術(shù)

前言

地球靜止軌道的最早設(shè)計(jì)者是英國著名科幻家亞瑟·C·克拉克，在該軌道上衛(wèi)星相對地球上的觀測者是靜止的，可以作為地球上任意兩地?zé)o線電通信的中間平臺。1963年由美國發(fā)射了第一顆靜止軌道衛(wèi)星一SynCom一2衛(wèi)星，成功轉(zhuǎn)播了1964年東京夏季奧運(yùn)會(huì)，從此拉開了靜止軌道發(fā)射和應(yīng)用的序幕。到今天大約有300顆不同國家、不同組織的靜止軌道衛(wèi)星環(huán)繞在地球軌道上，擔(dān)負(fù)著通信、導(dǎo)航和中繼等任務(wù)。地球靜止軌道衛(wèi)星在數(shù)十年的工作壽命期間，需要精心安排上百次軌道控制，維持衛(wèi)星相對地球“靜止”。軌道控制技術(shù)在精度、策略設(shè)計(jì)等方面，仍然在不斷發(fā)展和進(jìn)步。特別是為了提高定點(diǎn)經(jīng)度利用率和達(dá)到通信備份的目的，需要雙星或多星定點(diǎn)在同一經(jīng)度，設(shè)計(jì)共位控制策略，避免共軌衛(wèi)星發(fā)生物理碰撞和出現(xiàn)電子干擾，也成為地球靜止軌道衛(wèi)星控制的新課題。本書作者在該領(lǐng)域耕耘20年，是我國研究該領(lǐng)域的杰出代表，制定的靜止軌道定點(diǎn)控制、多星共軌控制策略、模型、算法，在我國靜止軌道衛(wèi)星長期管理中發(fā)揮著巨大的作用，也取得了成效顯著的創(chuàng)新科研成果。本書在靜止衛(wèi)星高精度定點(diǎn)控制模型、雙星及多星共位控制等算法上有顯著創(chuàng)新，填補(bǔ)了國內(nèi)在該方向研究上的空白，對我國航天測量與控制技術(shù)研究和發(fā)展具有重要作用。

內(nèi)容概要

　　《地球靜止衛(wèi)星軌道與共位控制技術(shù)》是關(guān)于地球靜止衛(wèi)星軌道和控制領(lǐng)域的一本專著，重點(diǎn)圍繞地球靜止軌道衛(wèi)星軌道與控制理論，系統(tǒng)介紹了衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)、靜止衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)規(guī)律、靜止衛(wèi)星軌道捕獲及定點(diǎn)保持控制等技術(shù)，突出闡述地球靜止衛(wèi)星多星共位控制原理及應(yīng)用，通過在我國地球靜止衛(wèi)星軌道控制中驗(yàn)證控制策略與控制方法?！　　兜厍蜢o止衛(wèi)星軌道與共位控制技術(shù)》可作為科研院所的科研人員、相關(guān)院校研究生、衛(wèi)星通信和應(yīng)用人員，以及國防工業(yè)部門靜止衛(wèi)星軌道與控制方面研究人員的參考書。

作者簡介

李恒年（1967.10-），現(xiàn)為西安衛(wèi)星測控中心宇航動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、研究員，研究方向?yàn)樾l(wèi)星動(dòng)力學(xué)與控制，是國家“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選，全軍“控制科學(xué)與工程”專業(yè)“科技領(lǐng)軍人才”培養(yǎng)對象，獲首屆軍隊(duì)杰出專業(yè)技術(shù)貢獻(xiàn)獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，是2次軍隊(duì)一等功獎(jiǎng)?wù)芦@得者承擔(dān)國家和軍隊(duì)多項(xiàng)重大課題研究和工程技術(shù)攻關(guān)任務(wù)，獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2），軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)（1，1，2），軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)7項(xiàng)（1，1，1，1，2，5，8），在連續(xù)推力受控衛(wèi)星的精密軌道、同步衛(wèi)星機(jī)動(dòng)控制和定點(diǎn)保持、靜止軌道衛(wèi)星多星共軌控制、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性與控制等領(lǐng)域.撰寫科技報(bào)告、衛(wèi)星控制方案50多份，公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文20多篇，被其他文獻(xiàn)廣泛參考引用

書籍目錄

第1章 概論1.1 概述1.2 理想靜止軌道1.3 靜止軌道衛(wèi)星現(xiàn)狀1.4 本書內(nèi)容概況第2章 衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)2.1 概述2.2 地球運(yùn)動(dòng)2.2.1 平太陽日2.2.2 平恒星日2.2.3 春分點(diǎn)2.2.4 零子午面2.2.5 當(dāng)?shù)靥枙r(shí)2.2.6 地球自旋軸極移運(yùn)動(dòng)2.2.7 地球自旋軸進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)2.2.8 地球自旋軸章動(dòng)運(yùn)動(dòng)2.3 時(shí)間系統(tǒng)2.3.1 恒星時(shí)和世界時(shí)(UTl)2.3.2 相對儒略日(MJD)2.3.3 恒星時(shí)(GMST)2.3.4 原子時(shí)(TAI)2.3.5 協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)2.3.6 地方時(shí)(LT)2.3.7 歷書時(shí)(ET)2.3.8 GPS時(shí)(GPS)2.3.9 時(shí)間系統(tǒng)關(guān)系2.4 空間度量坐標(biāo)系2.4.1 J2000.0地心慣性系2.4.2 歷元平赤道坐標(biāo)系2.4.3 歷元真赤道坐標(biāo)系2.4.4 準(zhǔn)地球固連坐標(biāo)系2.4.5 國際地球參考坐標(biāo)系2.4.6 測站地平坐標(biāo)系2.4.7 徑切法坐標(biāo)系2.4.8 質(zhì)心軌道坐標(biāo)系2.4.9 東南地坐標(biāo)系2.4.1 0衛(wèi)星本體坐標(biāo)系2.5 開普勒軌道2.5.1 開普勒根數(shù)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)2.5.2 開普勒根數(shù)與度量坐標(biāo)系2.5.3 靜止軌道位置保持無奇點(diǎn)根數(shù)2.6 總結(jié)第3章 靜止軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)3.1 概述3.2 靜止軌道衛(wèi)星在慣性空間的運(yùn)動(dòng)3.3 靜止軌道衛(wèi)星相對定點(diǎn)位置的運(yùn)動(dòng)3.4 靜止軌道衛(wèi)星“8”字軌跡真相3.5 靜止軌道衛(wèi)星相對運(yùn)動(dòng)3.5.1 赤道平面相對運(yùn)動(dòng)軌跡3.5.2 子午平面相對運(yùn)動(dòng)軌跡3.5.3 切平面相對運(yùn)動(dòng)軌跡3.6 總結(jié)第4章 靜止軌道攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)4.1 概述4.2 靜止衛(wèi)星攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)趨勢4.3 靜止軌道拉格朗日攝動(dòng)方程4.3.1 漂移率矢量拉格朗日方程4.3.2 偏心率矢量拉格朗日方程4.3.3 傾角矢量拉格朗日方程4.4 地球非球形攝動(dòng)4.4.1 地球非球形靜止軌道半徑4.4.2 地球非球形引力半長軸攝動(dòng)方程4.4.3 地球非球形引力漂移率攝動(dòng)方程4.4.4 地球非球形引力平經(jīng)度攝動(dòng)方程4.4.5 地球非球形引力傾角矢量攝動(dòng)方程4.4.6 地球非球形引力偏心率矢量攝動(dòng)方程4.4.7 小結(jié)4.5 日月引力攝動(dòng)4.5.1 日月引力攝動(dòng)函數(shù)4.5.2 日月引力軌道漂移率攝動(dòng)方程4.5.3 日月引力軌道偏心率攝動(dòng)方程4.5.4 日月引力軌道傾角攝動(dòng)方程4.5.5 日月星歷計(jì)算4.5.6 小結(jié)4.6 太陽光壓攝動(dòng)4.6.1 太陽光壓軌道漂移率矢量攝動(dòng)方程4.6.2 太陽光壓攝動(dòng)靜止軌道偏心率矢量運(yùn)動(dòng)4.6.3 太陽光壓攝動(dòng)靜止軌道傾角矢量運(yùn)動(dòng)4.6.4 衛(wèi)星光照條件方程4.6.5 小結(jié)4.7 總結(jié)第5章 靜止軌道諧波分解與平運(yùn)動(dòng)5.1 概述5.2 諧波分解5.3 基函數(shù)5.4 奇異值分解5.5 漂移率矢量平運(yùn)動(dòng)5.6 偏心率矢量平運(yùn)動(dòng)5.7 傾角矢量平運(yùn)動(dòng)5.8 總結(jié)第6章 靜止軌道控制原理6.1 概述6.2 靜止軌道相對定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)6.3 靜止軌道小偏差線性化方程6.4 徑向脈沖控制方程6.5 切向脈沖控制方程6.6 法向脈沖控制方程6.7 脈沖推力控制方程6.8 靜止軌道連續(xù)推力控制方程6.9 靜止軌道衛(wèi)星推力器的配置6.1 0總結(jié)第7章 靜止衛(wèi)星位置保持控制7.1 概述7.2 靜止衛(wèi)星南北保持控制7.2.1 平傾角保持圓7.2.2 單星傾角控制目標(biāo)7.2.3 傾角控制量7.2.4 傾角控制時(shí)刻7.2.5 傾角控制實(shí)例7.3 靜止軌道東西保持控制7.3.1 東西保持環(huán)7.3.2 漂移率控制目標(biāo)7.3.3 漂移率控制量7.3.4 偏心率控制目標(biāo)7.3.5 漂移率單脈沖控制7.3.6 漂移率目標(biāo)同向雙脈沖控制7.3.7 偏心率目標(biāo)反向雙脈沖控制7.3.8 平經(jīng)度目標(biāo)三脈沖控制7.4 總結(jié)第8章  靜止軌道共位控制技術(shù)8.1 概述8.2 相對運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系8.3 靜止軌道共位相對運(yùn)動(dòng)8.4 共位策略設(shè)計(jì)原則8.5 平經(jīng)度隔離策略8.6 偏心率矢量隔離策略8.6.1 絕對偏心率隔離策略8.6.2 太陽指向超前目標(biāo)8.6.3 相對偏心率隔離策略8.7 偏心率傾角矢量聯(lián)合隔離策略8.7.1 獨(dú)立控制雙星傾角隔離策略8.7.2 獨(dú)立控制四星傾角隔離策略8.7.3 協(xié)調(diào)控制聯(lián)合隔離策略8.8 共位策略的安全性分析8.9 總結(jié)附錄A 勒讓德函數(shù)附錄B 地球非球形引力場B.1 地球引力場遞歸算法B.2 引力場模型系數(shù)歸一化B.3 引力場模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

人類最早于1957年由蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，即Sputnik-1衛(wèi)星，但人類對衛(wèi)星軌道的研究卻已經(jīng)持續(xù)了近兩個(gè)世紀(jì)。地球靜止軌道的最早設(shè)計(jì)者是英國著名科幻家亞瑟·C·克拉克（1945年），在其著作《空間信息中繼（Extra-Terrestrial Relays）》[1]中指出：發(fā)射到地球赤道上空36000km高度的衛(wèi)星，具有同地球自轉(zhuǎn)速度一致的軌道角速度，因此，在該軌道上衛(wèi)星相對地球上的觀測者是靜止的，可以作為地球上任意兩地?zé)o線電通信的中間平臺。1963年由美國發(fā)射了第一顆靜止軌道衛(wèi)星，即SynCom-2衛(wèi)星，成功轉(zhuǎn)播了1964年東京夏季奧運(yùn)會(huì)，從此拉開了靜止軌道發(fā)射和應(yīng)用的序幕。到今天大約有300顆不同國家、不同組織的靜止軌道衛(wèi)星環(huán)繞在地球赤道上空36000km的軌道上，擔(dān)負(fù)著不同目的的通信、導(dǎo)航、中繼任務(wù)。地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射通常有三個(gè)飛行階段：發(fā)射段、轉(zhuǎn)移軌道段和靜止軌道段，如圖1.1所示。發(fā)射段：火箭將衛(wèi)星送人地球同步轉(zhuǎn)移軌道，其近地點(diǎn)約200kin，遠(yuǎn)地點(diǎn)等于或大于36000km的中間軌道，分別稱為同步轉(zhuǎn)移軌道（Geo-Sychronous 0rbit GT0）或超同步轉(zhuǎn)移軌道（Super GeoSychronous（）rbit SGT（）），軌道傾角等于發(fā)射點(diǎn)地理緯度，例如：長征火箭由西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，同步轉(zhuǎn)移軌道傾角約為28.6°；而阿麗亞娜火箭由法屬圭亞那發(fā)射，同步轉(zhuǎn)移軌道傾角約為7°。靜止軌道段是地球靜止軌道衛(wèi)星的工作軌道，周期約為24h的圓軌道，且軌道平面與地球赤道平面相重合。

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《地球靜止衛(wèi)星軌道與共位控制技術(shù)》是由國防工業(yè)出版社出版的。

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