停泊軌道

停泊軌道(parking orbit)是 太空飛行器為了轉移到另一條軌道去而暫時停留的橢圓（圓）軌道，又稱駐留軌道。

基本介紹

• 中文名：停泊軌道
• 外文名：parking orbit
• 又稱：駐留軌道
• 分類：地球停泊軌道、月球停泊軌道

簡介

停泊軌道按中心體不同分為地球停泊軌道、月球停泊軌道和行星停泊軌道。地球停泊軌道是發射月球探測器、登月載人飛船、空間探測器和離地球較遠的人造地球衛星（如靜止衛星）的一個階段，用於選擇進入過渡軌道的入軌點，以彌補地面發射場地理位置固定的缺點，滿足過渡軌道的要求。月球和行星停泊軌道用於選擇進入軌道的起點，以保證太空飛行器降落在天體表面的指定地區。對於返回地球的太空飛行器，同樣可以選擇返回軌道的起點，以保證太空飛行器能夠準確進入再入走廊。此外，安排停泊軌道還為飛往新軌道之前提供最後全面檢查太空飛行器各系統可靠性的機會。

設計最佳化

近年來空間技術迅速發展，對空間目標的交會攔截技術成為各同研究的熱點問題。空間交會(攔截)平台是一類能同時釋放多個子飛行器實現對空間目標的交會、監測或打擊、攔截任務的特殊類型太空飛行器。由於面向多個目標，該類太空飛行器停泊軌道參數以及子飛行器變軌時機的選擇需要綜合考慮多方面因素，進行多次折中權衡。空間交會(攔截)平台軌道運行示意圖如圖所示，平常整個平台在停泊軌道飛行，一旦接到任務指令即同時釋放多個子飛行器，子飛行器在自身動力系統的作用下，通過軌道轉移，實現對空間目標的交會或攔截任務。對目標的交會或攔截能力是該類平台的關鍵性能指標。

為了獲得儘可能多的目標交會(攔截)機會，空間平台停泊軌道設計應以對目標的有效交會(攔截)區的最大化為最佳化目標，同時需要滿足多目標交會(攔截)的要求。另外，成功交會(攔截)所採用的策略還應滿足如下基本要求：1)軌道轉移過程所消耗的燃料不能超過子飛行器可提供變軌速度增量要求；2)轉移軌道不能與地面相交，其最低高度不小於100km；3)滿足快速性要求，變軌飛行時間不超過上限。這些是是在有效交會(攔截)區確定過程中必須考慮的約束。這樣，空間平台停泊設計最佳化模型除了停泊軌道要素外，還包括子飛行器變軌時間t。

常見最佳化算法包括全局最佳化算法和局部最佳化算法。由於停泊軌道參數設計問題設計域呈現複雜非線性和非連續性，尋優算法選用多島遺傳算法(MGA)這種探索式全局最佳化算法。它是一種在傳統遺傳算法基礎上發展起來的一種“偽並行”最佳化算法，與傳統遺傳算法相比，使用精英保留和周期性遷移策略，更能保持解的多樣性和全局性，有效抑制早熟現象的發生。

軌道研究

隨著空間軍事套用逐步從信息保障向空間作戰的拓展，軌道機動作戰成為一種新的作戰模式。軌道攔截作為軌道機動的典型作戰模式就是對己方的攔截器施加衝量， 使其變軌打擊敵方的空間目標太空飛行器，從而達到作戰目的。在軌攔截器變軌前運行在停泊軌道( 駐留軌道) ， 停泊軌道的變化使得在軌攔截器有效攔截區域的變化， 導致覆蓋控制的空間目標太空飛行器不同。停泊軌道的最佳化使在軌攔截器覆蓋儘量多的空間目標，可提高對敵威懾能力，具有一定的研究價值。

首先假設: (1) 地球為均勻球體，半徑Rc=6371km；(2) 僅考慮地球引力， 忽略其他攝動力的影響；(3) 脈衝施加過程瞬間完成， 忽略脈衝施加過程中在軌攔截器位置的變化；(4) 在軌攔截器提供的脈衝幅值較小，可提供不超過 Δvmax任意方向的脈衝。

在軌攔截器停泊軌道最佳化過程為通過對軌道根數的疊代搜尋， 使研究的指標達到最優。假定覆蓋的空間目標太空飛行器集合為 S' = { s1，s2，…，sK'} ( K'為覆蓋的目標數) ，在此基礎上通過對停泊軌道再調整， 使在軌攔截器攔截所有覆蓋目標所需的總能量最小。能量越小則在軌攔截器的軌道保持能力越強， 更長時間保持在停泊軌道。

基於 OPSO 的在軌攔截器停泊軌道最佳化步驟為：

(1) 利用空間目標太空飛行器信息確定在軌攔截器軌道根數的大致變化範圍；

(2) 根據在軌攔截器軌道根數的大致變化範圍及種群粒子個數， 選擇相應的正交表產生初始化微粒群，對每個微粒產生一個初始速度， 並計算其適應度；

(3) 滿足終止條件即結束疊代， 否則轉入步驟(4)；

(4) 計算粒子自身最優解 pbi和種群最優解 p_g；

(5) 以種群最優解為中心進行正交搜尋， 計算適應度，選出其中最優解替代 p_g；

(6) 更新粒子的速度和位置，返回步驟(3)。

月球停泊軌道

月球探測器的發射視窗是指能夠滿足軌道的運動學約束、光照約束和測控約束等條件的時間段，使探測器能夠在一定的約束條件下與月球相遇，它又可分為月視窗和日視窗。

我國“嫦娥”工程的地月轉移軌道則是基於大橢圓停泊軌道的近地點加速獲得，其運動學約束特性呈現新的特點，運載運行可調的弧段很窄，轉移軌道的近地點幅角和升交點赤經基本上是由運載分離後的軌道決定，所以對地月轉移軌道設計增加了很強的制約。發射月球探測器實際上是使探測器與月球交會，由於月球位置的變化，不同的交會日期所對應轉移軌道是不同的。

對於大橢圓停泊軌道，從節省能量的角度出發，探測器一般在近地點沿速度方向加速進入轉移軌道，保證轉移軌道與停泊自軌道共面，所以停泊軌道決定了轉移軌道的升交點赤經和近地點幅角。這種情況下停泊軌道的近地點、探測器從地面發射進入停泊軌道的入軌點和轉移軌道的入軌點在慣性空間三點合一，本文重點分析地月轉移軌道段。因此可以分析不同時刻對應的探測器地月轉移軌道入軌點分布規律。

在一個恆星月內探測器人軌點緯度為0°和地月轉移軌道的近地點幅角為180°(滿足我國長三甲運載要求)的情況只有兩次，說明我國長三甲運載在一個月內有兩次發射機會。另外，對我國的這兩次發射機會來講，交會時月球的赤緯均為0°，也即是月球均處在白道相對於地球赤道的升交點和降交點附近，這充分體現了我國大橢圓停泊軌道地月轉移軌道發射視窗基於運動學約束的內在規律。我國在進行大橢圓停泊軌道探測器發射視窗設計時可以利用這一特點獲取探測器入軌時刻的初值。

大橢圓停泊軌道下地月轉移軌道的發射視窗是零視窗，但可以通過調整轉移初速增加發射視窗，使探測器在連續幾天有入軌機會。