低轨低倾角卫星总体适应性方案研究

叶小舟，黄业平，仲惟超，沈庆丰

(上海卫星工程研究所，上海 201109)

·技术前沿·

低轨低倾角卫星总体适应性方案研究

叶小舟，黄业平，仲惟超，沈庆丰

(上海卫星工程研究所，上海 201109)

针对低轨低倾角卫星的复杂光照特性开展了深入分析，并论述了其对卫星总体设计的具体影响。基于轨道面光照角大动态周期变化规律，系统地提出了四种典型的卫星总体适应性方案并比对分析了各方案特点，最后结合载荷、任务等约束条件给出了方案选择建议。可作为低轨低倾角卫星的总体设计参考。

低轨；低倾角；卫星；偏航机动；对日定向

0 引言

轨道六要素确定了卫星任意时刻在空间的位置。按照卫星轨道要素的不同，可将卫星轨道分为不同类型。按照偏心率不同，可分为：圆轨道(e=1 )、椭圆轨道(0

早期发射的低轨倾斜轨道卫星多为太阳同步轨道的卫星，其显著特征是轨道平面与太阳矢量始终保持稳定的夹角，具有访问同一纬度地区时固定的特性[2]，同时为卫星总体设计提供了良好的光照条件约束。近年来，随着高重访及时间遍历任务需求的提出，越来越多的低轨卫星采用低倾角轨道。但由于升交点赤经漂移和地球绕太阳公转运动，低倾角轨道的轨道平面与太阳矢量的夹角变化要比太阳同步轨道复杂，增加了卫星的能源、姿控及热控等总体设计难度。

不同于以往文献仅从某个单一项目角度提出了针对性的设计，如太阳帆板对日定向、能源平衡、姿控方案、热控方案[3-6]等，本文从整星角度系统地提出了多种低轨低倾角轨道总体适应性方案，并结合具体的载荷及任务约束进行了方案比较，最终给出了卫星总体方案选择建议。

1 轨道光照特性分析

低倾角轨道由于轨道面进动与地球公转方向相反，轨道面向西进动和太阳向东转动两者叠加，能相对较快地实现特定纬度带的完整覆盖，且访问同一地区的时间不断前移，具有更快重访和时间遍历特性。但同时太阳绕轨道面的转动导致了复杂变化光照特性，表现为轨道面光照角在一定范围内周期性震荡。

以高度为1000km的轨道为例，40°倾角轨道和太阳同步轨道的轨道面光照角对比情况如图1所示。

图1 不同倾角1000km高度轨道面光照角年变化情况

从图1中可知：倾角为40°的卫星轨道面光照角一年周期变化约6次，变化区间为-63.2°～+63.4°；而中午窗口的太阳同步轨道的卫星轨道面光照角一年变化区间仅为-3.5°～+5.5°。可见，低倾角轨道的光照角条件远比太阳同步轨道恶劣。

以高度为1000km、倾角为40°轨道为例，三年内轨道面光照角变化情况如图2所示。

图2 轨道面光照角三年变化情况(h=1000km，i=40°)

由上述分析可知太阳光照角变化具有如下规律：

1)光照角变化是周期性的，且由短周期运动和长周期运动叠加而成。长周期与地球绕太阳公转运动相关，约1年；短周期由升交点漂移速度决定，即与轨道高度和轨道倾角相关，示例约为2个月。

2)短周期与长周期运动叠加导致每个周期内轨道面两侧的光照角幅值不相同，穿过0值表示太阳从轨道面的一侧转至另一侧。

3)每个周期内光照角在轨道面某一侧的幅值大则太阳在这一侧停留时间长(示例约为40天)，另一侧幅值小则停留时间相对较短(示例约为20天)。

通过上述分析可知，低倾角轨道的光照特性虽然变化复杂，但具有一定的规律性，深入分析后可作为开展总体适应性设计和方案优化的基础。

2 卫星设计影响分析

在卫星工程具体实施中，低倾角轨道的复杂光照条件导致星体各面均可受到阳光照射，从而给整星能源、姿控及热控等设计带来影响。

1)能源设计影响

采用常规固定翼太阳帆板或一维驱动太阳帆板均不能获得较好的太阳光照角，无法为整星提供充足的能源保障，需重点考虑太阳帆板的两维对日定向设计。

2)姿控设计影响

卫星实现较高姿态控制精度和稳定度的前提条件是获取较高的姿态测量精度，主要的姿态测量设备如星敏感器等对光照非常敏感。由于各面均可能受照，不论姿态测量设备安装在什么位置，太阳光都会周期性地影响其正常工作。

为连续输出高精度姿态测量数据，需要配置多台姿态测量产品，并进行周期性的切换。为避免姿态测量产品视场干涉同时规避太阳光及杂散光影响，需要反复迭代选择最佳安装位置。复杂光照特性及不同产品组合切换增加了姿态确定方案的复杂性。需重点考虑产品配置、布局安装、姿态确定等设计。

3)热控设计影响

卫星的外热流极为复杂，无固定散热面，寿命期内会经历全日照轨道和最大地影轨道。因此除常规热控设计外，需重点考虑散热面选择、主动热控方式等设计。

3 总体适应性方案研究

为适应低轨低倾角轨道复杂光照条件，卫星总体方案可结合载荷及任务约束，选择整星不机动或整星机动方案。

3.1 整星不机动

整星不机动的方案中，卫星各相关产品采用机构规避或跟踪太阳，卫星能源、姿控及热控的设计概要见表1。

表1 整星不机动方案概要说明

3.2 整星机动

整星机动的方案中，通过姿态机动为相关产品提供较好的光照条件，以简化各相关产品设计。具体可分为两种，分别是整星偏航角机动和对日及对地定向模式切换。

1)整星偏航角机动

考虑到对地观测卫星，对于星体姿态保持的基本要求是确保载荷指向地面，即对卫星的俯仰角和滚动角有限制而对卫星的偏航角没有限制，因此可通过调整卫星的偏航角来实现规避或跟踪太阳。偏航角机动根据每次机动角度的大小可分为连续偏航机动和固定偏航机动。

①整星连续偏航角度机动

根据光照角情况，卫星偏航姿态进行持续机动和帆板一维驱动调整，以确保可获得最优的光照条件，卫星能源、姿控及热控的设计概要见表2。

表2 整星连续偏航角度方案概要说明

②整星固定偏航角度机动

图3 一个周期偏航机动规律设计

基于轨道光照特性分析章节中给出的光照角周期变化规律，考虑热控要求、姿态敏感器视场约束等，设计了偏航姿态机动规律，见图3。在一个太阳高度角变化周期内，卫星根据轨道计算进行6次偏航机动，每次机动幅度为90°或180°。该方法可使卫星姿态在每个周期的大部分时间处于姿态稳定状态，减少因卫星机动带来的对地观测误差。

整星固定偏航角度的方案中，卫星能源、姿控及热控的设计概要见表3。

表3 整星固定角度方案概要说明

具体工程实施中，可根据实际任务开展相应优化设计：

机动次数优化设计：可结合卫星任务使命、工作模式、能源需求等，合理放宽光照角阈值要求以减少每个周期的机动次数。

帆板控制优化设计：当偏航姿态为90°或-90°时，可选取固定的帆板偏置角度，即可满足工作能源需求，无需进行驱动控制。

偏航状态优化设计：对与小倾角轨道，设计每圈两个小角度对称的偏航姿态，结合帆板的一维驱动，可满足工作需求；或设计帆板与轨道面偏置一定角度，结合帆板的一维驱动，偏航姿态仅需0°和180°也可满足工作需求。

2)对日及对地定向模式切换

整星对日及对地定向模式切换的方案中，卫星能源、姿控及热控的设计概要见表4。

表4 整星对日及对地定向模式切换方案概要说明

3.3 方案特点分析及选用建议

两类四种方案的汇总描述和特点分析见表5。

表5 低倾角轨道总体方案汇总描述及特点分析

综上所述，结合卫星具体任务载荷和工作需要，有以下建议：

1)若载荷只能在零偏航模式下工作，且有连续长时工作需求，则选整星不机动的总体适应性方案；

2)若载荷可在±90°及180°偏航姿态下正常工作且每圈有长时工作需要，则优选整星固定偏航角度机动的总体适应性方案，可根据实际情况优化机动次数和帆板控制等设计；

3)对于小倾角轨道，可根据载荷适应能力优化偏航状态，选择小角度对称偏航或180°偏航角度机动的总体适应性方案；

4)若载荷可在整星偏航角度持续机动过程中正常工作，则为了最大限度挖掘整星供电能力、最大可能延长载荷工作时间，优选整星连续偏航角度机动的总体适应性方案；

5)对于每圈工作时间短、能源需求低的小卫星，则优选对日及对地定向模式切换方案。

4 结束语

低轨低倾角轨道具有更快重访、时间遍历等特性，针对特定纬度带的观测任务，相比较于太阳同步轨道，低倾角轨道具有更多的优势，但该类轨道的复杂光照条件增加了整星能源、姿控、热控等设计难度。本文分析了低轨低倾角轨道的轨道面光照角变化规律，论述了其对卫星能源、姿控、热控等设计的具体影响。从整星角度出发，结合轨道复杂光照特性和卫星工程具体实施，系统地提出了两类四种可供选择的典型总体适应性方案，并对此开展了特点分析和比较，最终给出了不同任务下的优选方案建议。本文提出的方案与建议可作为低轨低倾角卫星的总体设计参考。■

[1] 张育林,范丽,张艳,等.卫星星座理论与设计[M]. 北京:科学出版社,2008.

[2] 章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,1998.

[3] 王颖,顾荃莹.倾斜轨道航天器太阳翼对日跟踪方法探讨[J].航天器工程,2009, 18(3)：36-40．

[4] 李小飞,乔明,陈琦.倾斜轨道卫星能量平衡优化分析方法[J]. 航天器工程,2014,23(4)：52-56．

[5] 丰保民,陈占胜,叶立军,等.倾斜轨道小卫星太阳高度角分析与机动方案设计[J].空间控制技术与应用,2016,42(3):33-37.

[6] 周砚耕.一种兼顾不同轨道姿态的卫星热控优化设计方法[J].空间科学学报,2016,36(3):380-385.

Research on overall adaptability scheme of the low orbit andlow inclination satellite

Ye Xiaozhou， Huang Yeping， Zhong Weichao， Shen Qingfeng

(Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 201109，China)

The complex illumination characteristics of the low orbit and low inclination satellite are deeply analyzed. Based on the large dynamic periodic variation law of the orbital plane illumination angle, four typical satellite overall schemes are proposed systematically, and the characteristics of each scheme are compared and analyzed. Finally combined with the payloads,missions, etc., the scheme selection proposal is given. It can be used as a design reference in the system design of the low orbit and low inclination satellite.

low orbit;low inclination;satellite;yaw maneuver flight; sun tracking

2017-03-02；2017-05-12修回。

叶小舟(1982-)，女，高工，主要从事卫星总体、载荷综合应用等领域的研究工作。

TN975

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