橢圓參考軌道即參考軌道為橢圓軌道的情況。
橢圓參考軌道相對運動的控制技術是空間相對運動控制技術發展的趨勢。在已經工程實現的自主交會對接中，目標飛行器幾乎都運行在圓軌道或者近圓軌道上，而有關編隊飛行的研究大部分集中在圓參考軌道編隊，隨著航天工程技術的進一步發展，橢圓參考軌道相對運動的控制技術成為空間活動必需的基礎技術，對其需求體現在三個方面:(1)橢圓參考軌道的交會與編隊；(2)空間在軌服務；(3)空間攻防。
基本介紹
- 中文名：橢圓參考軌道
- 外文名：Elliptic reference orbi
- 學科：航空航天
- 類型：飛行術語
- 屬於：天體之間相對運動所遵循的現象
- 趨勢：研究熱點
簡介,水平圓構形編隊,最優精確交會,
簡介
橢圓參考軌道相對運動的控制技術是空間相對運動控制技術發展的趨勢。在已經工程實現的自主交會對接中，目標飛行器幾乎都運行在圓軌道或者近圓軌道上，而有關編隊飛行的研究大部分集中在圓參考軌道編隊，隨著航天工程技術的進一步發展，橢圓參考軌道相對運動的控制技術成為空間活動必需的基礎技術，對其需求體現在三個方面:(1)橢圓參考軌道的交會與編隊；(2)空間在軌服務；(3)空間攻防。橢圓參考軌道相對運動的動力學分析為交會制導、編隊隊形設計、抑制相對‘運動漂移提供理論基礎，相對運動的控制技術為工程實現橢圓參考軌道附近的交會與編隊提供技術方案，橢圓參考軌道編隊的工程實踐對相對運動的動力學分析和控制技術提出更高的要求。空間在軌服務技術能夠實現燃料加注、載荷裝配、在軌檢查和維修等後勤服務，是一項無法替代的關鍵技術，曾在多次航天活動中發揮重要作用:(1)利用挑戰者號太空梭對SMM衛星實施在軌維修和部件更換；(2)維修和釋放Syncom IV衛星；(3)更換Intelsat6-F3衛星的發動機並重新釋放該衛星；(4)五次維修哈勃太空望遠鏡;(5)建設國際空間站ISS。空間在軌服務技術的發展對相對運動控制提出了更高的要求，如XSS實驗衛星系統項目和Orbital Express軌道快車項目需要實現交會、伴飛、繞飛、捕獲、對接等技術，因而橢圓參考軌道相對運動的控制技術成為進一步發展空間在軌服務所需的基礎技術。美國和俄羅斯在空間攻防領域的快速發展導致反衛星武器、軌道武器、軌道轉移飛行器(OTV)等軍事太空飛行器的不斷出現，此類太空飛行器對其他國家的空間資產構成巨大威脅，美國X-37B軌道機動飛行器的兩次成功升空加劇了各國對空間資產安全的擔心。為了應對此類威肋、而發展天基平台實現對敵對太空飛行器的攔截、監測、捕獲等操作，橢圓參考軌道相對運動的控制技術是必不可少的。
橢圓參考軌道的相對運動控制成為近期的研究熱點。對近地空間飛行器相對運動近半個世紀的研究主要集中在圓(近圓)參考軌道的交會對接、圓參考軌道的編隊飛行和橢圓參考軌道的最優線性化交會上，考慮非線性和攝動影響的橢圓參考軌道相對運動控制技術則是近十年來的研究熱點。
水平圓構形編隊
周期性繞飛的編隊構形設計，在編隊衛星技術的具體套用中具有十分重要的作用。傳統的方法是基於Hill方程或Clohessy Willshire方程(簡稱HCW方程)進行編隊衛星構形設計。HCW方程是一組常係數的線性微分方程，具有簡單的解析解，通過對HCW方程解析解的分析，可直觀的設計一些較典型的編隊構形，其中水平圓是引起廣泛關注的構形之一。水平圓是指環繞衛星相對參考衛星的運動軌跡在水平面內投影為圓的周期性繞飛構形，這種構形在對地觀測中具有較好的特性，成為許多對地觀測任務首選的構形。
傳統的基於HCW方程的水平圓構形設計是以參考軌道為圓軌道為前提的，基於圓參考軌道的假設限制了水平圓構形編隊的套用範圍。李海陽研究了基於一般克卜勒參考軌道水平圓構形的設計問題，重點討論了橢圓參考軌道水平圓構形的設計和演化，分析了橢圓參考軌道水平圓編隊構形的特點。首先以作者提出的利用能量守恆原理確定的橢圓參考軌道周期性繞飛條件為約束，給出了類似HCW方程的橢圓參考軌道周期性相對運動的解析解;其次通過對解析解的直觀分析，提出了橢圓參考軌道水平圓構形的設計方法，研究了水平圓構形的演化;最後通過數值仿真驗證了設計方法的正確性。
最優精確交會
在Hill給出的月球相對於地球的相對運動動力學方程的基礎上，Clohessy和Wilts hire給出了描述圓參考軌道相對運動的C-W方程。不久之後，Tschauner和H empel給出了描述橢圓參考軌道相對運動的T-H方程。此後，C-W方程被廣泛地套用於空間交會對接的研究和工程實踐。編隊飛行概念的提出使得相對運動動力學的研究再次成為熱潮。C-W方程和T-H方程都是在地球為球形、相對運動距離遠小於參考軌道半徑的假設下線性化引力場得出的，沒有考慮地球非球形攝動的影響。因此這類方程及其改進形式給出的解析結果不適用於考慮地球扁率的影響且相對距離較大的相對運動。
對於地球扁率和其他軌道攝動源對參考星軌道和追蹤星軌道的影響，很多學者給出了考慮不同程度攝動的結果。Kechichian考慮大氣阻力和地球扁率的影響給出了一組非線性動力學方程，該方程可以精確描述大氣阻力及地球扁率對相對運動的影響。Gim和Alfriend採用幾何化方法給出了軌道要素差到直角坐標相對運動狀態的狀態轉移矩陣(軌道要素差可由平均軌道要素或密切軌道要素表述)該狀態轉移矩陣考慮了
攝動對目標星和追蹤星軌道要素長期項的影響。Sengupta、Vadali及Alfriend採用平均化思想，考慮了攝動對目標星和追蹤星軌道要素長周期項和短周期項的影響，給出了平均化的相對運動的解析表達式。這些研究的共同特點是，相對運動動力學方程或其解的形式複雜，不利於制導律的設計。採用軌道要素差描述相對運動需要追蹤星的軌道要素，而追蹤星一般有變軌機動，對其軌道要素的測控有一定的難度。
圓參考軌道的交會問題已經取得了豐碩的研究成果，對於橢圓參考軌道交會問題的研究則主要集中線上性交會上，有關攝動橢圓參考軌道非線性交會的文獻較少。荊武興等給出了兩種易於實現的燃料最優尋優算法和一種考慮攝動影響的疊代交會制導算法，其中燃料最優尋優算法用來確定最優轉移時間和最優雙脈衝。另外還解決了半圈交會和整圈交會的最優雙脈衝確定問題。考慮攝動影響的橢圓參考軌道交會疊代制導算法採用線性梯度，其形式簡潔易於實現。此疊代制導算法首先採用一種簡潔的狀態轉移矩陣計算初始速度增量，然後利用考慮攝動的精確非線性動力學方程傳播追蹤星相對於目標星的相對運動狀態，最後根據終端交會誤差利用線性梯度修正初始速度增量來提高交會精度。該疊代制導算法收斂快，適用於圓參考軌道和任意偏心率的橢圓參考軌道附近的遠距離交會。
