1、地球同步轨道通信卫星的轨道管理应用摘要：通讯卫星广泛的应用于广播电视和通信领域，具有传播距离远、覆盖面积大，信号质量高和传输容量大的优点，在全世界范围内得到广泛的应用。但是地球同步卫星的发射、测控和在轨管理却是一项非常复杂的技术。我国的同步卫星技术已处于世界领先地位。但是在卫星发射和轨道管理方面，技术仍有很多值得研究的地方。本文旨在介绍地球同步轨道通信卫星在轨道管理中的技术，以供同行借鉴。 关键词：同步轨道通信卫星 轨道管理 中图分类号： P185.18 文献标识码： A 前言： 地球同步轨道卫星具有相对地球为“静止”的特点，可以有效地用来为通讯、数据传输、电视广播、气象、海洋探测、导航和军事
2、等行业和科学研究服务，并已发挥显著的应用价值和经济价值。为避免卫星飘出共位窗口以及避免卫星间发生碰撞，同步卫星的技术难题主要集中于卫星的定位和轨道的测量上。 一.地球同步轨道通信卫星的定义及其运行特点 (一) 定义 地球同步轨道卫星是指在一个地球同步轨道01的窗口上放置两颗或两颗以上的卫星。又称 24 小时轨道，卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期，且方向亦与之一致，卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同，当轨道与赤道平面重合时叫做地球静止轨道，即卫星与地面的位置保持相对不变。 倾角为零的圆形地球同步轨道称为地球静止轨道，因为在这样的轨道上运行的卫星将始终位于赤道某地的上空，相对于地球表面
3、是静止的。这种轨道卫星的地面高度约为 3.6 万千米。它的覆盖范围很广，利用均匀分布在地球赤道上的 3 颗这样的卫星就可以实现除南北极很小一部分地区外的全球通信。 （二）运行特点 人造卫星轨道按高度划分，有高、中、低三种。低轨道卫星距地面数百千米至 5000km，运行周期为 24 小时；中轨道卫星距地面500020000km，运行周期 412 小时；高轨道卫星距离地面达 35810km 甚至更高，运行周期为 24 小时或更长时间。同步卫星一般采用三级火箭发射，为了轨道机动的需要，卫星本身带有远地点发动机。通常先由一、二级运载火箭将卫星送入停播轨道，再由第三季火箭将卫星推进至大椭圆的转移轨道。卫
4、星在转移轨道经调姿、轨道精测等测量控制任务完成后，由地面控制卫星远地点发动机点火，使卫星加速，于是卫星告别转移轨道进入静止轨道。由于受各种摄动力的影响，卫星进入定点位置后，其轨道参数会发生变化，这时必须通过定期轨道保持使卫星维持在规定轨道范围内运行。 地球同步轨道通信卫星的轨道管理 由于摄动的影响和卫星应用的需要，必须对卫星进行在轨的长期管理直至卫星寿命的终结。卫星在轨的长期管理是卫星工程的一个重要组成部分，是应用卫星工程中更为关键、更为重要的阶段，通信卫星提供电视、广播、电话、电传等传输信道，都必须长期依靠在轨管理，否则，应用卫星就无法正常运行。 卫星在轨的管理工作主要包括： 1轨道测量和保
5、持。 2. 卫星姿态测量和姿态控制。使卫星定向天线的波束始终覆盖地球表面的规定区域。 3. 转速测量和转速控制。卫星在空中以自旋轴为中心旋转并保持姿态稳定，如果转速发生变化，将影响卫星的姿态甚至定点位置。 4. 对轨道测量数据和遥测数据进行录取和处理，向卫星应用单位提供测控支持。 5. 轨道预报。包括星蚀预报和东西、南北保持预报。 6. 数据注入和指令控制。 7. 星上能源、仪器及有效载荷的管理。 8. 卫星工作状态的监视及故障管理。 9. 卫星资料的收集、汇总以及和相关部门的定期沟通协作。 本文重点讨论卫星轨道的测量和保持工作。 （一） 、地球同步轨道通信卫星的测量 当前在轨运行的地球同步卫
6、星工程监控业务通常是由于地面卫星测控中心完成的，这种测控方式由于需要大量地面监控站、监控中心以及控制人员，因此严重制约了卫星应用的发展。目前，随着时代和科学的发展，卫星自助完成测控任务已经具备了现实的技术基础。卫星自主完成检测任务主要分以下步骤进行： 1.日常遥测监控： 主要检测和分析卫星的姿控、能源、热控及有效载荷等分系统的工作情况。 1.1 姿控 卫星的姿态测量和控制，由于与其相关的遥测参数下传频度最快，因此需要对于三轴稳定卫星，需要时刻监视卫星的滚动、俯仰姿态角的变化情况和相关的状态参数。无论卫星是采用偏置动量轮控或零动量姿控模式，都需要重点监视动量轮转速变化情况，自旋卫星需要定时进行姿
7、态测量和确定。 1.2 能源 由于太阳电池阵和蓄电池组成，完成整星供电任务，为了提高输出功率，目前地球同步卫星均采用对日定向太阳翼，因此，除关键的母线电流外，还需要时刻监视帆板转角输出。判断帆板对日定向情况。 1.3 热控 完成整星热平衡任务，确保仪器工作在给定温度范围内，除采用涂层、多层隔热、导热填料和铺设热管等被动式温控措施外，星上还采用主动方式对蓄电池、推力器和螺旋组件加热，一些加热部件上采用了自动温控措施，由于温度变化较为缓慢，相关遥测参数通常以慢桢下传。 1.4 有效载荷 通常，卫星的有效载荷的工作状态不会影响整星安全。因此，只需要监视其工作状态和定时进行部件切换。 除此以外，卫星安
8、装的监控应答机除下传遥测参数和接收遥控指令外，还配合地面完成卫星到监测站的距离和角度值测量。为准确测量并计算地球同步卫星轨道。测控站通常在 24h 周期内连续或间隔一定时间发上行测距信号，经过星上应答机转发后，下传至地面测控站，由地面进行数据采集并根据路径传输时间计算出测控站到卫星的距离。结合天线转动角度计算出卫星位置。完成轨道改进。通常得到基于 J-2000 坐标系下卫星轨道根数后，再进行一定时间范围内的轨道预报。 （二）卫星的定点保持 1 东西方向保持 11 控制漂移环的选取 除地球非球形 J22 项摄动对卫星产生经度方向的加速度外，太阳光压摄动，引起轨道偏心率的矢量的矢端沿一圆周(偏心率
9、圆)运动，运动方向大致与太阳光压方向垂直；还有测量误差。因此在实际控制中，目标的选取要留有余量。 12 控制点位置不突变 目前在轨静止卫星都采用化学推进剂系统，发动机产生的推力工作时间与卫星的轨道运行周期相比是相当短暂的，因此通常可视为脉冲变轨方式，即推力脉冲使卫星速度有突变式的增量，但不引起卫星位置的突变。 如果已知卫星在某一时刻 t。的位置 ro 和速度 K，在该时刻施加脉冲式速度增量 AV 之后，卫星进入另一个轨道 t。 ，r0，K，则脉冲变轨的基本特征为： t1=to，r1=ro， P1=yo+P 图 1 脉冲控制方式控制点不突变示意图 1.3 控制点选取 如果要使轨道尽量圆且位置保持
10、控制对偏心率影响尽量小，应该遵循下列控制规则：如果要增大半长轴，控制点应该选择在远地点进行，增大近地点高度；如果要减小半长轴，控制点应该选择在近地点进行，降低远地点高度。 1.4 切向推力对偏心率的影响 推力方向对偏心率的影响如图 1 所示，即 AV 顺时针方向转 90。 ，它用于分析轨道拱点位置变况。为了保持卫星拱点不变，控制时刻应该尽量选择在拱点附近进行，并保证卫星推力的方向垂直于 r。 图 2 切向推力对偏心率的影响 1.5 控制点位置不变时与控制点对应的点轨道高度变化是半长轴变化的两倍据此可以分析每次轨控对卫星轨道拱点的影响。一般来说，我国上空的静止卫星东西位置保持都是在近地点进行，如
11、果近地点高度为h。 ，远地点高度为 h。 ，当控制完成后，远地点高度将减少为 h。一 2Aa。如果 h。h。一 2Aa，此时原来的近地点将变成远地点，远地点将变成近地点。 2.南北方向保持 2.1 目标倾角选取 如果要求倾角不大于 i，为了增大保持时间，目标倾角选为一 i，图3、4 为其示意图。 图 3 地球同步卫星轨道正倾角示意图 图 4 地球同步卫星轨道负倾角示意图 22 控制时刻的选取 由于倾角控制时刻的恒星时角约为 270或 90，因此控制时刻的地方平太阳时取决于每年的日期。如下表所示： 表 1 同步卫星南北控制时刻 倾角控制一般选取在轨道的升交点或降交点附近进行，取决于发动机安装位置
12、，如果推力向北，应该选择在升交点附近控制；如推力向南，应该选择在降交点附近控制。 结束语： 地球同步轨道通信卫星拉近了人们之间的距离，打破了信息传播中的时空障碍，带给人们许许多多的便利，对人类文明发展和社会进步起到重要作用。在卫星的轨道测定和定位管理中提升技术，不但可以扩展轨道资源,更会节省卫星轨道保持燃料,从而产生巨大的经济、社会价值。参考文献： 1王正才译,地球静止轨道手册,国防工业出版社,1999 年. 2徐士良编著 c 常用算法程序集，清华大学出版社，1996 年 11 月第 2 版 3杨嘉挥,航天器轨道动力学与控制,宇航出版社,2005 年. 4总装备部卫星有效载荷髓应用技术卫星应用现状与发展(上册),中同科学技术出版社,2000 年 5刘林,航天器轨道理论,国防工业出版社,2000 年.
