Vol.16 No.6航 天 器 工 程第16卷 第6期 16嫦娥一号月球探测卫星轨道设计
杨维廉 周文艳
(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)
摘 要 ,航,的设计。,它们由周期为16h、24h、48h的三段轨道组成;第三部分是200km高度绕月飞行的使命轨道。。
关键词 地月转移轨道 使命轨道 轨道控制
13 文献标识码:A 文章编号:167328748(2007)0620016209
OrbitDesignforLunarExplorationSatelliteCE21
YANGWeilian ZHOUWenyan
(BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094,China)
Abstract:CE21isthefirstChineseprobetoexploretheMoon.Themainscientificobjectivesofthismissionareremotesensingofthemoonandthecislunarenvironmentinvestigations.Thepri2maryandbasicpartofthemissiondesignistheorbitdesignofwholeflightprocess,includingtheorbitcontrolstrategy.Theflightconsistsofthreesegments.Thefirstisphasingorbitssegmentwhichincludesthreeorbitswithperiodsof16,24and48hours;Thesecondistranslunar2trajecto2rybeingkeypartoftheflight.Thelastsegmentisamissionorbitwhichiscircularonewithalti2tudeof200kmandinclinationof90degreetolunarequator.
Keywords:lunarexploration;phasingorbit;translunar2trajectory;missionorbit;orbitcontrol1 引言
我国第一颗月球资源探测卫星嫦娥一号的主要
科学目标是:获取月球表面三维影像;分析月球表面
有用元素及物质类型的含量和分布;探测月壤厚度;
探测地月空间环境。
卫星的整个飞行过程分成三个轨道段,图1、2、
3给出了它们的示意。卫星由长征三号甲运载火箭
送入近地点高度200km,远地点高度51000km的超GTO轨道,轨道周期为15181h。卫星与运载火箭分离后先在这条轨道上运行两圈(在这期间将在第二个远地点作一次小的轨道机动,将近地点抬高到600km),在16h轨道上运行三圈后到达近地点时进行第一次大的轨道机动,将轨道周期变为24h。在这条轨道上运行一圈再次到达近地点时作第二次大的轨道机动,将周期增加到48h。卫星在这三条大椭圆轨道上共运行约五天,这一段轨道统称为“调相轨道”。卫星在调相轨道运行结束到达最后一个近地点时再作一次大的轨道机动,使卫星进入地月
转移轨道。随后卫星将沿着这条转移轨道飞向月
收稿日期:2007210208;修回日期:2007210215
作者简介:杨维廉(
1941-),男,研究员,博士生导师,1964年毕业于北京大学数学力学系数学专业,1981年至1983年在美国斯坦福大学航空航天系以公派访问学者身份进修,现主要从事轨道力学研究和航天使命分析设计工作。
第6期 杨维廉等:
嫦娥一号月球探测卫星轨道设计17球,飞行114h后到达近月点。为了使其变为绕月飞
行的月球卫星,还需在近月点作三次减速机动,机动后的轨道周期相继是12h、315h和127min
。
图3 月球捕获轨道段
Fig.3 Lunarcaptureorbits
2 使命轨道的设计
调相轨道段
Fig.1 Phasing
orbits211 标称轨道的设计
嫦娥一号卫星的科学使命是对全月面进行探
测,所以应选择极月轨道,即将轨道倾角选择为
90°,使得探测器能通过月球的南北两极。
为了使遥感图像的分辨率基本相同应采用圆形
轨道。
轨道的另一个重要参数是半长轴,对于圆轨道
它对应于卫星距月面的平均高度。从遥感考虑,轨
道越低分辨率越高,但覆盖面积越小。月球卫星轨
道高度的选择还必须考虑另一个与地球卫星不同的
轨道寿命问题。
月球上空几乎没有大气层,不会消耗轨道能量,
图2a 地月转移轨道段(1)
Fig.2a Translunar2trajectory(1
)轨道的半长轴将保持不变,但由于月球引力场的特殊性,轨道偏心率的摄动变化范围很大,初始状态的
圆轨道将会变成偏心率越来越大的椭圆轨道,于是
近月点高度不断降低,以至于降到月面,这就是所谓
的月球卫星轨道寿命问题,这是由月球引力场的特
殊性决定的。倾角为90°,高度为100km的初始圆
轨道在无控的情况下半年内就会坠落月面,如果轨
道高度为200km,即便不进行轨道控制也永远不会
掉到月面上[1]。为此,对于首次的月球探测选择轨
道平均高度为200km。
遥感卫星轨道设计的一项重要内容是轨迹分
布。对于地球卫星,高度的微小变化将导致地面轨
迹分布的显著变化。但月球卫星情况比较简单,这
图2b 地月转移轨道段(2)
Fig.2b Translunar2trajectory(2)是由于月球自转速度极低,卫星月面轨迹的分布都是自东向西逐圈漂移。
在设计嫦娥一号卫星的月面轨迹时需要考虑的
18 航 天 器 工 程 16卷
是两种不同遥感器的覆盖宽度问题。200km高的圆轨道周期约127min,在此期间月球旋转11163°,
相邻轨迹的间距是3513km。CCD立体相机的月面
成像宽度是60km,相邻轨迹的遥感图像重叠率很
高,在一个月内可见光遥感可以将全月球(极区除
外)覆盖一遍,微波遥感覆盖两遍。但干涉成像光谱
仪的成像宽度只有2516km,相邻两条轨迹的遥感
图像不可能重叠,一个月内不能覆盖全月球。为了
实现干涉成像光谱仪全月面覆盖,需将设计的卫星
轨道周期(对应于轨道高度)作微小调整即可。月球
的自转周期是2713217d,约309圈,如果使其运行30915圈,619个整圈,周期是1271119min,平周期是1271088min,由平周期根据二体问题的关系计算出平均半长轴是19321850km,由此平均高度是194165km。因此,使命轨道的标称参数应该是:(1)半长轴19321850km(平均高度194165km)(2)偏心率0(3)倾角90°(4)1271,倾角±5°。2重要的。
极月轨道的光照也有与地球卫星不同的特性。
如图4所示,月球的赤道与黄道的夹角约115°,可
以近似看作是共面,因此轨道面与黄道面基本垂直。
极月轨道在惯性空间中的方位基本不变,一年内太
阳相对轨道面正好旋转一圈。若用β角来表示太阳
与轨道面的夹角,当β=0°和180°时,轨道的月影段
β角在6316°最大,共45min,光照时间是82min。与
11614°之间及24316°与29614°之间时轨道处于全日
照状态,故一年内的全日照时间是107d。图5给出
一年内轨道月影时间随β角变化的曲线
。变成171可以对全月球()覆盖一遍。这是两个月回归的轨道,每两个月重复同样的覆盖模式。考虑到轨道摄动的存在,轨道周期应采用交点周期TΩ,它与平周期的关系对于倾角为90°的情况是(2TΩ=T[1+J2]2a上式中的J2=010002034是月球引力场二阶带谐调和项的系数,R是月球的赤道半径,a
Vol.16 No.6航 天 器 工 程第16卷 第6期 16嫦娥一号月球探测卫星轨道设计
杨维廉 周文艳
(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)
摘 要 ,航,的设计。,它们由周期为16h、24h、48h的三段轨道组成;第三部分是200km高度绕月飞行的使命轨道。。
关键词 地月转移轨道 使命轨道 轨道控制
13 文献标识码:A 文章编号:167328748(2007)0620016209
OrbitDesignforLunarExplorationSatelliteCE21
YANGWeilian ZHOUWenyan
(BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094,China)
Abstract:CE21isthefirstChineseprobetoexploretheMoon.Themainscientificobjectivesofthismissionareremotesensingofthemoonandthecislunarenvironmentinvestigations.Thepri2maryandbasicpartofthemissiondesignistheorbitdesignofwholeflightprocess,includingtheorbitcontrolstrategy.Theflightconsistsofthreesegments.Thefirstisphasingorbitssegmentwhichincludesthreeorbitswithperiodsof16,24and48hours;Thesecondistranslunar2trajecto2rybeingkeypartoftheflight.Thelastsegmentisamissionorbitwhichiscircularonewithalti2tudeof200kmandinclinationof90degreetolunarequator.
Keywords:lunarexploration;phasingorbit;translunar2trajectory;missionorbit;orbitcontrol1 引言
我国第一颗月球资源探测卫星嫦娥一号的主要
科学目标是:获取月球表面三维影像;分析月球表面
有用元素及物质类型的含量和分布;探测月壤厚度;
探测地月空间环境。
卫星的整个飞行过程分成三个轨道段,图1、2、
3给出了它们的示意。卫星由长征三号甲运载火箭
送入近地点高度200km,远地点高度51000km的超GTO轨道,轨道周期为15181h。卫星与运载火箭分离后先在这条轨道上运行两圈(在这期间将在第二个远地点作一次小的轨道机动,将近地点抬高到600km),在16h轨道上运行三圈后到达近地点时进行第一次大的轨道机动,将轨道周期变为24h。在这条轨道上运行一圈再次到达近地点时作第二次大的轨道机动,将周期增加到48h。卫星在这三条大椭圆轨道上共运行约五天,这一段轨道统称为“调相轨道”。卫星在调相轨道运行结束到达最后一个近地点时再作一次大的轨道机动,使卫星进入地月
转移轨道。随后卫星将沿着这条转移轨道飞向月
收稿日期:2007210208;修回日期:2007210215
作者简介:杨维廉(
1941-),男,研究员,博士生导师,1964年毕业于北京大学数学力学系数学专业,1981年至1983年在美国斯坦福大学航空航天系以公派访问学者身份进修,现主要从事轨道力学研究和航天使命分析设计工作。
第6期 杨维廉等:
嫦娥一号月球探测卫星轨道设计17球,飞行114h后到达近月点。为了使其变为绕月飞
行的月球卫星,还需在近月点作三次减速机动,机动后的轨道周期相继是12h、315h和127min
。
图3 月球捕获轨道段
Fig.3 Lunarcaptureorbits
2 使命轨道的设计
调相轨道段
Fig.1 Phasing
orbits211 标称轨道的设计
嫦娥一号卫星的科学使命是对全月面进行探
测,所以应选择极月轨道,即将轨道倾角选择为
90°,使得探测器能通过月球的南北两极。
为了使遥感图像的分辨率基本相同应采用圆形
轨道。
轨道的另一个重要参数是半长轴,对于圆轨道
它对应于卫星距月面的平均高度。从遥感考虑,轨
道越低分辨率越高,但覆盖面积越小。月球卫星轨
道高度的选择还必须考虑另一个与地球卫星不同的
轨道寿命问题。
月球上空几乎没有大气层,不会消耗轨道能量,
图2a 地月转移轨道段(1)
Fig.2a Translunar2trajectory(1
)轨道的半长轴将保持不变,但由于月球引力场的特殊性,轨道偏心率的摄动变化范围很大,初始状态的
圆轨道将会变成偏心率越来越大的椭圆轨道,于是
近月点高度不断降低,以至于降到月面,这就是所谓
的月球卫星轨道寿命问题,这是由月球引力场的特
殊性决定的。倾角为90°,高度为100km的初始圆
轨道在无控的情况下半年内就会坠落月面,如果轨
道高度为200km,即便不进行轨道控制也永远不会
掉到月面上[1]。为此,对于首次的月球探测选择轨
道平均高度为200km。
遥感卫星轨道设计的一项重要内容是轨迹分
布。对于地球卫星,高度的微小变化将导致地面轨
迹分布的显著变化。但月球卫星情况比较简单,这
图2b 地月转移轨道段(2)
Fig.2b Translunar2trajectory(2)是由于月球自转速度极低,卫星月面轨迹的分布都是自东向西逐圈漂移。
在设计嫦娥一号卫星的月面轨迹时需要考虑的
18 航 天 器 工 程 16卷
是两种不同遥感器的覆盖宽度问题。200km高的圆轨道周期约127min,在此期间月球旋转11163°,
相邻轨迹的间距是3513km。CCD立体相机的月面
成像宽度是60km,相邻轨迹的遥感图像重叠率很
高,在一个月内可见光遥感可以将全月球(极区除
外)覆盖一遍,微波遥感覆盖两遍。但干涉成像光谱
仪的成像宽度只有2516km,相邻两条轨迹的遥感
图像不可能重叠,一个月内不能覆盖全月球。为了
实现干涉成像光谱仪全月面覆盖,需将设计的卫星
轨道周期(对应于轨道高度)作微小调整即可。月球
的自转周期是2713217d,约309圈,如果使其运行30915圈,619个整圈,周期是1271119min,平周期是1271088min,由平周期根据二体问题的关系计算出平均半长轴是19321850km,由此平均高度是194165km。因此,使命轨道的标称参数应该是:(1)半长轴19321850km(平均高度194165km)(2)偏心率0(3)倾角90°(4)1271,倾角±5°。2重要的。
极月轨道的光照也有与地球卫星不同的特性。
如图4所示,月球的赤道与黄道的夹角约115°,可
以近似看作是共面,因此轨道面与黄道面基本垂直。
极月轨道在惯性空间中的方位基本不变,一年内太
阳相对轨道面正好旋转一圈。若用β角来表示太阳
与轨道面的夹角,当β=0°和180°时,轨道的月影段
β角在6316°最大,共45min,光照时间是82min。与
11614°之间及24316°与29614°之间时轨道处于全日
照状态,故一年内的全日照时间是107d。图5给出
一年内轨道月影时间随β角变化的曲线
。变成171可以对全月球()覆盖一遍。这是两个月回归的轨道,每两个月重复同样的覆盖模式。考虑到轨道摄动的存在,轨道周期应采用交点周期TΩ,它与平周期的关系对于倾角为90°的情况是(2TΩ=T[1+J2]2a上式中的J2=010002034是月球引力场二阶带谐调和项的系数,R是月球的赤道半径,a