1、计 算 机 与 控 制 系 统 测 控 技 术 年 第 卷 第 期收 稿 日 期：引 用 格 式：陈 奇，寇 义 民，任 维 佳，等 非 太 阳 同 步 重 访 干 涉 轨 道 设 计 与 摄 动 影 响 分 析 测 控 技 术，（）：，（）：非 太 阳 同 步 重 访 干 涉 轨 道 设 计 与 摄 动 影 响 分 析陈 奇，寇 义 民，任 维 佳，杨 峰，熊 淑 杰（长 沙 天 仪 空 间 科 技 研 究 院 有 限 公 司，湖 南 长 沙）摘 要：为 了 满 足 合 成 孔 径 雷 达（）卫 星 大 型 星 座 任 意 轨 道 面 都 可 保 持 长 期 重 访 干 涉 的 需 求，提
2、出 了 一种 通 用 的 非 太 阳 同 步 重 访 干 涉 参 考 轨 道 设 计 方 法，将 重 访 周 期 作 为 修 正 变 量 之 一，采 用 迭 代 修 正 方 法 得到 了 高 精 度 动 力 学 模 型 下 的 任 意 轨 道 倾 角 的 参 考 轨 道。仿 真 分 析 给 出 了 一 定 轨 道 高 度 范 围 内 所 有 候 选的 参 考 轨 道，并 指 出 了 不 同 轨 道 倾 角、相 同 重 访 圈 数 的 参 考 轨 道 高 度 的 明 显 变 化，为 实 际 任 务 的 轨 道 筛选 提 供 了 参 考。此 外，针 对 日、月 引 力 摄 动 对 轨 道 倾 角
3、的 影 响 进 行 了 详 细 分 析，指 出 了 中 低 轨 道 倾 角 的非 太 阳 同 步 轨 道 所 需 轨 道 保 持 控 制 的 代 价 非 常 小，完 全 可 以 保 持 长 期 重 访 干 涉。关 键 词：非 太 阳 同 步 轨 道；卫 星；重 访 干 涉；摄 动 分 析中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：,(,):()(),:;合 成 孔 径 雷 达（，）卫星 相 比 光 学 卫 星 来 说，具 有 全 天 时、全 天 候 成 像 的 优势，已 被 广 泛 应 用 于 军 事 侦 察、自 然 灾 害 监 测 等 领 域。而 的 干 涉 成 像 技 术
4、 进 一 步 大 幅 提 高 了 卫 星的 应 用 价 值，在 全 球 范 围 的 高 程 测 绘、形 变 长 期 精 确 测量 等 领 域 中 起 着 关 键 作 用。受 限 于 载 荷 的 体 积、研 制 成 本 以 及 发 射 成 本，目 前 各 航 天 大 国 在 轨 工 作 的 卫 星 绝 大 部 分 为 大 卫 星，且 总 量 不 多，对 全 球 范 围 内 紧 急 事 件 的 应 急 响 应 能 力 是 有 限 的。为 了 提 高 应 急 快 速 响 应 的 能 力 以 及 大 幅 缩 短 干 涉重 访 周 期，卫 星 星 座 组 网 必 将 成 为 主 要 发 展 方向。而 轻
5、 小 型 卫 星 的 研 制 可 以 将 星 座 组 网 的成 本 大 幅 降 低。天 仪 研 究 院 于 年 月 成 功 发 射了 第 颗 级 卫 星 巢 湖 一 号，标 志 着 其 率 先实 现 了 国 产 商 业 卫 星 组 网 和 在 轨 运 营。大 型 星座 组 网 需 要 构 建 多 个 轨 道 面，且 考 虑 到 对 中 纬 度 更 快速、更 频 繁 的 覆 盖 性 需 求，中 低 轨 道 倾 角 的 轨 道 成 为 了星 座 的 必 要 组 成 部 分。然 而，目 前 几 乎 所 有 卫 星均 只 分 布 在 特 殊 的 太 阳 同 步 轨 道 上。现 有 的 重 访 干 涉轨
6、 道 设 计 与 轨 道 控 制 方 法 相 关 研 究 均 集 中 在 太 阳 同 步轨 道 此 类 特 殊 情 况 上。对 于 更 一 般 的 非 太 阳 同 步轨 道 卫 星，干 涉 成 像 是 否 能 实 现、轨 道 保 持 控 制代 价 多 大 等 问 题 尚 未 被 深 入 研 究。针 对 非 太 阳 同 步 轨 道 这 类 更 一 般 的 情 况，提 出 了一 种 迭 代 修 正 方 法，设 计 了 精 确 的 重 访 干 涉 参 考 轨 道。与 太 阳 同 步 参 考 轨 道 的 设 计 方 法 不 同 的 是，重 访 周 期不 再 是 给 定 的 整 天，且 轨 道 倾 角
7、不 再 由 太 阳 同 步 轨 道所 限 制。笔 者 将 重 访 周 期 作 为 变 量 进 行 迭 代 修 正，设计 出 了 满 足 重 访 条 件 且 任 意 给 定 倾 角 的 参 考 轨 道。此外，针 对 日、月 引 力 对 非 太 阳 同 步 轨 道 倾 角 的 摄 动 影响，采 用 平 均 轨 道 根 数 方 法 进 行 了 详 细 分 析，指 出 了 中低 轨 道 倾 角 的 非 太 阳 同 步 轨 道 所 需 轨 道 保 持 控 制 的 代价 非 常 小，完 全 可 以 保 证 卫 星 的 长 期 干 涉 成 像，从 而 可 以 实 现 大 型 星 座 任 意 单 星 的 重
8、访 干 涉 和 同 一 轨道 面 内 的 多 星 干 涉。参 考 轨 道 设 计 方 法 简 化 模 型 下 初 步 设 计 卫 星 重 访 干 涉 要 求 卫 星 对 同 一 成 像 区 域 进行 至 少 两 次 的 重 复 观 测，且 要 求 重 访 时 在 空 间 中 的 位置 距 离 非 常 近，因 此 卫 星 的 星 下 点 轨 迹 必 须 是 周 期 性回 归 的，且 轨 道 必 须 是 冻 结 轨 道。首 先 采 用 回 归 轨 道设 计 方 法 对 卫 星 轨 道 根 数 进 行 初 步 设 计。星 下 点 轨 迹 连 续 两 次 过 升 交 点 时 的 经 度 差 示 意 图
9、如 图 所 示。卫 星 连 续 两 轨 在 升 交 点 时 的 经 度 间 隔 可 表 示 为（）（）式 中：为 地 球 自 转 角 速 度；为 升 交 点 赤 经 变 化 率；为 节 点 周 期，表 示 卫 星 两 次 飞 过 升 交 点 之 间 的 时间。若 卫 星 飞 行 圈 后 星 下 点 回 到 初 始 位 置，则 应 满足 以 下 回 归 轨 道 约 束 条 件：（）（）式 中：为 整 数，记 为 回 归 数。定 义 重 访 周 期 为图 星 下 点 轨 迹 连 续 两 次 过 升 交 点 时 的 经 度 差 示 意 图（）式 中：为 轨 道 日。（）（）存 在 以 下 两 种 情
10、 况。若 卫 星 轨 道 为 太 阳 同 步 轨 道，则 轨 道 日 与 太 阳日 相 等，即，卫 星 飞 行 圈 的 时 间 恰 好 为 天，即 重 访 周 期 天。若 轨 道 非 太 阳 同 步 轨 道，则，卫 星飞 行 圈 回 归 到 初 始 位 置 的 时 间 不 是 整 数 天，即 重 访周 期 天。只 考 虑 地 球 非 球 形 引 力 位 中 的 带 谐 项 摄 动 的 简化 动 力 学 模 型 时，和 均 可 表 示 为 半 长 轴 和 轨 道 倾角 的 函 数。因此，对 于 给 定 的 轨 道 倾 角，可 通 过 求解 回 归 约 束 方 程 式（）得 到 项 摄 动 条 件
11、 下 的 半 长 轴，记 为，同 时 也 可 得 到 初 步 设 计 的 重 访 周 期。除 了 保 证 重 访 周 期 始 末 端 经 纬 度 相 等 外，还 需 要考 虑 轨 道 高 度 的 变 化。若 卫 星 轨 道 的 近 心 点 方 向 或 者偏 心 率 大 小 发 生 变 化，则 在 轨 道 上 任 意 一 点 处 的 轨 道高 度 将 发 生 变 化，即 使 重 访 时 经 纬 度 相 同，两 个 轨 道 位置 的 距 离 差 也 非 常 大。因 此，需 要 控 制 偏 心 率 和 近地 点 幅 角 保 持 不 变，由 此 得 到 的 轨 道 也 称 为 冻 结 轨道。冻 结 轨 道 的 初 步 设 计 可 根 据 地 球 非 球 形 引 力 位 中的 带 谐 项 和 得 到。精 确 动 力 学 模 型 下 轨 道 修 正在 初 步 设 计 的 基 础 上，需 要 采 用 精 确 的 动 力 学 模型 对 轨 道 根 数 进 行 修 正。在 精 确 修 正 步 骤 中，采 用 经纬 度 重 合 作 为 优 化 目 标：卫 星 飞 行 圈 后 的 星 下 点 经度（）、纬 度（）恰 好 与 初 始 位 置 星 下 点 经 度（）、纬 度（）重 合，即（）与 文 献 不 同 的 是，不 采 用 模 型 作 为 中 间 测 控 技 术 年 第 卷 第 期
