（航空宇航科学与技术专业论文）应急轨道飞行器的若干问题研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 高技术局部战争、非战争军事行动等应急任务对空间支援提出了新的需求， 要求飞行器以“快速响应、成本低廉、按需部署 进入空间为目标。论文以应急 轨道飞行器及其相关技术为研究对象，主要研究内容如下： 进行了应急轨道飞行器的概念研究。在临近空间的基础上，给出了应急轨道 的概念，重点分析了应急轨道飞行器所具有的特有优势。 研究了应急轨道飞行器对任务区域的覆盖特性。分析了圆形应急轨道轨道倾 角对任务区域覆盖的影响，给出了覆盖任务区域的升交点变化范围。基于卫星覆 盖带设计了应急轨道星座。利用s t k 仿真软件仿真分析了近圆轨道的覆盖特性。 分析了应急轨道飞行器相对于地面测控站的运动特性，提出了应急轨道飞行 器捕获天线的布站要求。分析了升交点地理经度对过捷点距离的影响。 设计了一种车载的高动态测控试验系统，建立了较详细的双轴天线以及天线 转台转动的数学模型，并利用m a t l a b 和s t k 仿真了给定工况下天线及转台转动 的角度变化。在直线模型假设下，建立了飞行器过顶的数学模型，研究了地面天 线方位角的变化规律，给出了天线跟踪盲区范围的计算方法。 研究了临近空间应急轨道的光照条件。分析了轨道阳光角的变化规律，给出 了飞行器体轴的太阳光照角的计算方法。研究了太阳矢量相对于飞行器本体的运 动特性，给出了太阳光热收集系统聚焦镜跟踪太阳的控制方法。 给出了采用摆镜对飞行器上可见光相机的像移补偿方法，研究了基于摆镜的 像移补偿算法，推导了飞行器对地球表面目标成像时摆镜旋转角度和旋转角速度 的计算公式。 最后，对全文进行了总结，指出了论文的研究成果，并对下一步需要研究的 内容进行了展望。 主题词：应急轨道飞行器区域覆盖测控试验轨道阳光角 像移补偿 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t e e m e r g e n c ym i s s i o n ss u c ha sh i g h - t e c hl o c a lw a r sa n dn o n w a rm i l i t a r y o p e r a t i o n s h a sp u tf o r w a r dn e wr e q u i r e m e n t sf o rs p a c es u p p o r t , w h i c hc a l l sf o r v e h i c l e sa c c e s st os p a c ew i t hf a s tr e s p o n s e ，l o wc o s ta n d d e p l o y m e n t o n - d e m a n da si t s g o a l 1 1 1 et h e s i sh a sr e s e a r c h e dr e s p o n s i v eo r b i tv e h i c l ea n dr e l e v a n tt e c h n i q u e s t h e m a i nc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s t h e c o n e e p to fr e s p o n s i v eo r b i tv e h i c l ei ss t u d i e d o nt h eb a s i so f n e a rs p a c e ，t h e c o n c e p to ft h er e s p o n s i v eo r b i ti sg i v e n t h eu n i q u ea d v a n t a g e so ft h er e s p o n s i v e o r b i tv e h i c l ea r ep r i m a r i l ya n a l y z e d c o v e r a g ec h a r a c t e r i s t i co fm i s s i o n1 0 c a t i o nb yr e s p o n s i v eo r b i tv e h i c l ei ss t u d i e d a f f e c t i o no fc i r c u l a ro r b i ti n c l i n a t i o no nt h em i s s i o nl o c a t i o nc o v e r a g ei sa n a l y z e d a n dt h er a n g eo fl o n g i t u d eo fa s c e n d i n gn o d eo fo r b i t sb yw h i c h t a r g e tc a nb ec o v e r e d i sd i s c u s s e d b a s e do ns t r e e to fc o v e r a g e ，ar e s p o n s i v es p a c ec o n s t e l l a t i o no fv e h i c l e s i s p u tf o r w a r d c o v e r a g ec h a r a c t e r i s t i co fn e a rc i r c u l a ro r b i t si ss i m u l a t e da n d a n a l y z e du s i n gs n ( s o f t w a r e m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co fg r o u n d - b a s e dt r a c k i n gi sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e a b o v e ，ar e q u e s to fa r r a n g i n gt h ec a p t u r ea n t e n n af o rt t & co fr e s p o n s i v eo r b i t v e h i c l ei ss u g g e s t e d a f f e c t i o no fl o n g i t u d eo fa s c e n d i n gn o d eo nc l o s e s td i s t a n c e b e t w e e ng r o u n ds t a t i o na n dr e s p o n s i v eo r b i tv e h i c l ei sa n l y z e d a n e x p e r i m e n ts y s t e mo fh i g hd y n a m i ct t & ci sd e s i g n e d m a t h e m a t i c a lm o d e l o fa n g l em o v e m e n to fd u a l a x i sa n t e n n aa n dt u r n t a b l ei sd e r i v e da n ds i m u l a t e du n d e r t h eg i v e ns i t u a t i o n b a s e do nt h es t r a i g h t l i n em o t i o na s s u m p t i o n , m a t h e m a t i c a l m o d e lo fr e s p o n s i v eo r b i tv e h i c l ep a s s e si se s t a b l i s h e d c h a n g er u l eo fa z i m u t ha n g l e i ss t u d i e da n dt h ee x t e n to ft h ez e n i t hb l i n dz o n ei sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ee o n d i t i o no fr e s p o n s i v eo r b i tv e h i c l ei l l u m i n a t i o ni ss t u d i e d c h a n g er u l eo f s u n - o r b i ta n g l ei s a n a l y z e d 功ec a l c u l a t i n gm e t h o do fv e h i c l eb o d ys u n a n g l ei s g i v e n b a s e do na n a l y s i so fm o t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs u n l i g h ti no r b i t ，m e t h o d st o r e s o l v es u nt r a c k i n gi sp r o p o s e d 砀em e t h o do fa r r a n g i n gao s c i l l a t i n gm i r r o rf r o n t a g et h eo p t i c a lc a m e r ai s p u t f o r w a r df o ri m a g em o t i o nc o m p e n s a t i o n aa l g o r i t h mo fi m a g em o t i o nc o m p e n s a t i o n i sp r e s e n t e d n l ef o r m u l ao fo s c i l l a t i n gm i r r o ra n g l ea n d a n g u l a rv e l o c i t yi m a g i n gi n e a r t hs u r f a c ei sd e r i v e d f i n a l l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew o r ko fr e s e a r c ha n dp o i n t so u tp r o d u c t i o n , a n dm a k e se x p e c t a t i o nf o rt h ec o n t e n t sw h i c hn e e dt ob es t u d i e di nf u t u r e k e y w o r d s ：r e s p o n s i v eo r b i tv e h i c l er e g i o n a lc o v e r a g et t & ce x p e r i m e n t s u n o r b i ta n g l ei m a g em o t i o nc o m p e n s a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1t a c s a t - 1 战术小卫星示意图3 图1 2t a c s a t 2 战术小卫星示意图3 图1 3t a c s a t - 3 战术小卫星示意图4 图1 4 天蝎座系列运载火箭的快速发射装置6 图1 5 金牛座系列运载火箭图谱一6 图1 6 创始号运载火箭及其发射车7 图2 1不同轨道高度的8 0 0 m m 焦距的地面分辨率1 2 图2 2 雷达发射功率随飞行器轨道高度的变化1 2 图2 3 运载能力分析结果1 3 图3 1轨道高度为1 8 0 k i n 的覆盖率1 6 图3 2 轨道高度为3 0 0 k m 的覆盖率1 6 图3 3 不同轨道高度的最佳覆盖计算曲线1 7 图3 4 不同观测仰角的最佳轨道倾角的变化曲线( h = 3 0 0 k m ) 1 7 图3 5 不同观测仰角的最佳覆盖率的变化曲线( h = 3 0 0 k m ) 1 8 图3 6圆轨道任务区域覆盖区半中心角示意图1 8 图3 7 飞行器上升段过顶示意图1 9 图3 8飞行器下降段过顶示意图2 0 图3 9 覆盖任务区域的升交点地理经度区间2 1 图3 1 0 不同最小观测角对应的最大升交点区间2 1 图3 1 l卫星覆盖带几何示意图2 2 图3 1 2 不同轨道高度实现连续覆盖带的最小卫星数量2 2 图3 1 3 不同观测仰角与覆盖带卫星数量的关系( h = 3 0 0 k m ) 2 3 图3 1 4 单个卫星覆盖带对任务区域覆盖( s t k 截图) 2 4 图3 1 5 共面不同拱线的过顶示意图2 5 图3 1 6 不同初始近地点幅角的轨道的总过顶次数2 6 图3 1 7 不同初始近地点幅角的轨道的总过顶时间2 6 图3 1 8 不同初始升交点赤经的总过顶次数2 6 图3 1 9 不同初始升交点赤经的过顶时间2 7 图3 2 0 不同倾角轨道的总过顶次数2 7 图3 2 l不同倾角轨道的总过顶时间2 8 图3 2 2 不同倾角轨道的覆盖特性2 9 图3 2 3 不同初始升交点的覆盖特性2 9 图4 1圆轨道飞行器地心角速度的变化曲线一3 0 图4 2飞行器与测控站相对关系示意图( 共面情况) 3 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 3 飞行器视角速度随仰角的变化曲线3 3 图4 4飞行器在纬度矽处的飞行方向示意图3 3 图4 5 飞行器的视飞行方向3 4 图4 6 飞行器出没点的方位示意图3 5 图4 7 初始方位角分布3 6 图4 8 结束方位角分布3 6 图4 9 捕获天线的布站方式示意图3 7 图4 1 0 捕获天线的个数随最小观测仰角的变化3 7 图4 1 1飞行器刚好经过测控站的示意图3 8 图4 1 2 飞行器过顶时在天球上的投影示意图3 9 图4 1 3 升交点地理经度对过捷点距离的影响4 0 图5 1车载测控试验系统示意图4 1 图5 2 地面转台以及双轴天线安装示意图4 2 图5 3 天线转动示意图4 3 图5 4w g s 8 4 地固坐标系与测控站北天东坐标系的关系示意图4 4 图5 5 转台坐标系与天线坐标系的关系4 5 图5 6 测控目标在车载固连坐标系中的位置示意图4 8 图5 7 地面天线方位角随时间的变化曲线4 9 图5 8 地面天线俯仰角随时间变化曲线4 9 图5 9 天线转台方位角随时间的变化曲线4 9 图5 1 0 天线转台俯仰角随时间变化曲线。4 9 图5 1 1双轴天线跟踪水平直线飞行器示意图5 0 图5 1 2 方位角速度随方位角的变化规律5 1 图5 1 3 方位角加速度随方位角的变化规律5 l 图5 1 4 最大方位角速度随过捷点俯仰角的变化规律5 2 图5 1 5 地面天线跟踪飞行器的方位角速度等高线图5 2 图6 1 阳光矢量与轨道面的夹角示意图5 4 图6 2 短期在轨飞行轨道阳光角的变化曲线5 6 图6 3 轨道阳光角在一年内的变化5 7 图6 4 立方体外形飞行器有效受晒面积因子的变化范围5 8 图6 5 飞行器体轴的太阳光照角6 0 图6 6 太阳热推进原理示意图6 0 图6 7 太阳在惯性空间定向飞行器本体坐标系中位置示意图6 1 图6 8 太阳矢量在飞行器本体坐标系中的运动轨迹6 2 图6 9 聚焦镜驱动机构转动示意图6 3 图6 1 0 单轴驱动聚焦镜对日跟踪示意图6 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图6 1 1单轴驱动方案角度跟踪曲线6 4 图7 1坐标系示意图6 6 图7 2 摆镜旋转示意图6 7 图7 3 摆镜俯仰角速度在一个轨道周期内的变化7 0 图7 4 摆镜方位角速度在一个轨道周期内的变化7 0 第页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表1 1 t a c s a t 系列战术小卫星参数表3 表3 1 我国所关注区域的地理纬度2 3 表3 2 单颗3 0 0 k i n 轨道的最佳覆盖情况2 4 表3 3 卫星覆盖带对任务区域的覆盖率2 4 表4 1 飞行器出没的方位角的变化范围3 5 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：藿丕笪珠 嗍1 删月小 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：湿虹 r 期 砷年，月名r 作者指导教师签名： 嗍：刁钳，月咖 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 2 0 0 9 年4 月6 日美国宣布对2 0 1 0 年国防预算项目进行大规模调整，新计划 要求削减导弹防御系统费用，取消f 2 2 “猛禽战机等常规武器作战系统，增 加了快速反应能力和侦察预警系统建设。美国采取军事战略调整，旨在改造美国 的军事能力，使之符合美国应付地区性冲突、反恐等应急任务的需要。 进入新世纪，爆发世界大战的可能性不大，但区域性、地区性冲突加剧，反 恐、打击海盗等突发事件时有出现，抗洪抢险、抗震救灾等非战争军事行动也时 有发生，此时，快速及时的空间支援就显得越来越重要。 传统在轨航天器虽然用途各异，包括科学试验、对地探测、导航通信、数据 中继、监视侦察等等，但其中绝大多数都具有共同的特点，即执行全球性任务， 工作寿命长，发射准备时间长。因此传统航天器无法满足应急任务需求的快速增 长，针对应急任务而专门设计的飞行器成为发展趋势。 应急轨道飞行器是实现应急任务需求的有效途径。应急任务突发性强、针对 性强、临时性强，相应地要求作为空间支援的飞行器能够应急发射、任务专一、 区域性强，任务时间则可以有限。应急轨道飞行器以“快速响应、成本低廉、按 需部署 进入空间为目标，可以满足应急任务对空间支援的需求。 应急轨道飞行器具有对地侦察分辨率高、战场生存能力强、发射成本低、对 地打击威胁大等优点，发展应急轨道飞行器技术对于提升国家战略威慑水平、实 现快速低成本战场探测、满足国家突发危机响应需求、支持未来察打一体化作战 等具有重大的现实意义。 1 2 国内外相关技术研究现状 1 2 1国内外相关项目的研究现状 1 2 1 1 快速响应空间计划 美国是第一个提出“太空快速响应 1 1 1 2 1 3 1 1 4 1 1 5 1 计划的国家。美国在总结了目 前空间技术现状、近二十年主要战争经验教训，以及未来信息化战争可能的需求 后，认为现有空间技术已经不能适应现代战争需要，主要表现在：航天发射准备 时间过长，不能满足现代战争快节奏的基本需要，不能适应未来空间对抗的形势； 因为追求空间能力最大化，经济和技术风险越来越高；空间系统服务于整个国家， 不能服务于马上需要它的人，不能满足信息化战争对信息获取时效性的要求。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 0 0 3 年，美国国防部提出了“快速作战响应空间”( o r s ) 倡议，其目的在于 未来能在几天或者几小时内把卫星发射入轨，或快速修复空间系统。美军认为， “向实用化和战术级的决策者及时地提供情报、监视、侦查( i s r ) 等空间应急产 品”，是现代军事空间技术发展最重要的需求。 2 0 0 5 年2 月，国防部公布了“国防部空间运输远景 ( s p a c et r a n s p o r t a t i o n p e r s p e c t i v e ) 。为空间运输面临的环境、渐进一次性运载火箭( e e l v ) 、快速 空间响应运载器、下一代航天运输和航天发射场等五个领域的发展制定了远景规 划。国防部计划在2 0 1 0 年以前完成航天快速发射系统的验证、研发与部署工作， 在2 0 1 8 、2 0 1 9 年左右使航天快速发射系统具备初步作战能力，在2 0 2 6 年左右具 备全面作战能力。 2 0 0 7 年5 月，美国国防部在卡特兰空军基地设立了o r s 计划联合办公室， 以加快推进o r s 进程。2 0 0 7 年1 1 月，美国国会批准2 0 0 8 年国防拨款法案，将 实现o r s 的重要工程计划猎鹰计划的资金由原来的5 0 0 0 万美元增加到1 亿美 元。2 0 0 3 2 0 0 8 年，美国连续召开了6 届“快速响应空间会议”。通过研究，美 国建议对可以实现快速进入空间能力的小型运载火箭、可重复使用运载器等进行 长期投资。 快速响应空间技术是在常规空间技术基础上发展起来的新型空间技术，应具 有显著的应急能力，即能够在几天或几个小时的时间内，建立起空间设施供作战 使用。这种新型的空间能力具有集成性，它同国家现有的空间设施统一使用并互 为补充。快速响应空间技术要求发射活动应具有良好的可靠性和经济性能。上述 构想将把空间和临近空间可以发挥的作用推进到实用化和战术化的水平。 美国国防部的大量研究表明发展快速响应型t a c s a t 卫星来增强空间力量具 有重要的军事意义。t a c s a t 的概念首先是由美国国防部武装力量改革办公室提 出来的。t a c s a t 试验计划的主要目标是发展战时微型低成本的空间系统的能力， 验证一种研制、发射和运作战术卫星的创新模式和机制。成本低廉、反应快速是 战术卫星最主要的特点。 t a c s a t 系列战术卫星的动作特性提供了两方面性质的结合，即联合了u a v s ( 无人驾驶飞行器) 和传统卫星的特点。t a c s a t 独特的设计允许它快速响应、灵 活选择有效载荷和覆盖地区，就像u a v 一样，能够进入未允许的地区，覆盖更 广阔的范围，并具有空间系统安全性和隐蔽性。t a c s a t 系列战术小卫星具体参数 如表1 1 所示。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表iit a e s a t 系列战术小卫星参数表 战术卫星 质量n 运行轨道 任务载荷 低分辨率可见光、红外成像位 近地轨道 信号侦听装置 近地轨道 全色成像仪、信号侦听装置 超光谱成像仪、海洋数据遥测微 3 9 6近地轨道 卫星链路、太空电于试验设备 大椭圆轨道u h f 通信转发器 ( 1 ) t a c s a t - 1 战米小卫星 t a c s a t - 1 战术小卫星可具有一定的信息监听能力，能获取战场具有一定分辨 率的可见光和红外图像。有效载荷为特种发射机识别( s e z ) 装置，相机可见光分 辨率为7 0 m ；红外分辨率为8 5 0 m ，轨道高度为5 1 0 k m ，倾角为6 4 。质量为1 2 5 k g ， 直径为10 1 6 m ，高为05 0 8 m 功耗为1 8 6 w ，寿命1 年。t a c s a t 一1 战术小卫星示 意图如图1 1 所示。 f 图l1t a c s a t - 1 战术小卫星示意幽 ( 2 ) t a c s a t 一2 战术小卫星 t a c s a t - 2 战术小卫星获取具有战术价值的高分辨率图像。有效载荷是分辨率 为0 9 m 的红外相机等，轨道商度为4 1 0 k m ，倾角为4 0 。，质量为3 0 0 k g 功耗 为1 8 6 w 。t a c s a t - 2 战术小卫星示意图如图12 所示。 鼎妒 图12t a c s a l 2 战术小卫星示意图 第3 页 国防科学挫术大学研究生院硕士学位论文 ( 3 ) t a e s a t 3 战术小卫星 t a c s a t 3 是1 颗超光谱成像小卫星，用于探测隐蔽目标。t a c s a t 3 能使美军 透过伪装侦察隐蔽目标，帮助其确定飞机降落地点、地面部队及车辆的行动路线， 以及躲避攻击的路线等。有效载荷由超成像光谱仪、空间电子设备试验装置、海 洋数据遥测转发器等3 部分组成，轨道高度为4 5 2 k m ，质量小于4 0 0 k g ，寿命约 1 年，可自主运行6 0 天。t a c s a t 3 战术小卫星示意图如图l3 所示。 圉13t a c s a t - 3 战术小卫星示意图 ( 4 ) t a e s a t _ 4 战术小卫星 t a e s a t - 4 战术小卫星可以提供超视距通信；增加蓝军系统，提供友军的位置； 提供有效载荷x 波段的通信设备与蓝军监视系统( b f t ) 等。轨道远地点高度为 1 2 0 0 0 k m ，近地点高度为4 0 0 k m ，周期为4 h ，质量为3 3 5 4 1 0 k g ，功耗为2 0 0 5 5 0 w ， 寿命约为1 年。 1212 小卫星通用化与快速发射技术 现有小卫星通用化与快速发射技术为应急轨道飞行器发展奠定了技术基础。 ( 1 ) 小卫星通用化技术概况 坚持系列化、通用化、模块化是当今世界上小卫星研制的基本指导思想，是 高可靠、高质量、低成本卫星研制的必由之路。 进入加世纪9 0 年代后，小卫星的设计出现了通用平台的理念。通用平台的 设计思想将卫星设计划分为有效载荷和平台两大部分。通用平台由各服务系统所 组成，一般具有电源、推进、姿控、通信与数据处理等多种基本功能，是一个具 有一定通用性的模块化载体。采用通用平台可以摆脱有效载荷对卫星结构的束 缚，能够“以不变应万变”，为星载的各种试验设备、仪器服务并且可以缩短 卫星研制周期、降低成本、提高可靠性。通用平台的设计思想已经成为空间飞行 器发展的一个根本方面。目前世界上多个国家都有了自己的小卫星平台，如英国 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 s u r r e y 公司的u o s a t 平台，美国轨道科学公司的m i c r o s t a r 平台，t r w 公司 的“鹰 平台，a e r o a s t r o 公司的s m a r t b u s ，法国的p r o t e u s 平台，俄罗斯 的“克拉( k a r a t ) 小卫星通用平台。 平台标准化设计具有代表性的是美空军制定的“标准接口飞行器”( s t a n d a r d i n t e r f a c ev e h i c l e ) 计划，该计划首次提出了“即插即用”标准。计划开发一组可以 用于各种任务的通用小卫星组件，即“标准接口飞行器组件”，主要包括通信链接、 动力系统和电气连接等组件。另外，美国空军还授权进行新的小卫星总线技术开 发，要求突破以往的任务模式，设计一个可以在几小时或几天内集成并发射的系 统。即要求开发一个有标准组件、可以升级网络体系结构的小卫星总线。该项目 还将定义任务载荷和运载器的界面，实现多种卫星即插即用，并可在各种运载器 上按要求迅速发射。 应急空间技术应具有相应的作战能力，能在许多应用领域能提供关键的战术 系统，包括定位导航授时，战场通讯、战场监视侦察、天气预报，以及制空权 等，因此需要一大批任务载荷来承担任务。军事大国的任务载荷技术已有长足的 发展，包括射频、全色摄像、红外成像、多光谱、超光谱和雷达成像等星上仪器， 都在逐步实现小型化，都可以采用通用化的技术制备其部件，然后进行模块化组 装。载荷小型化的技术基础包括微电子技术、微电子机械加工技术和光电子技术。 目前各功能组件的小型化取得了很多重要进展，如小型数字存储和传输设备，基 于m e m s 工艺的导航组件和低光望远镜，片上相机等。 ( 2 ) 快速发射技术概况 为确保未来应急卫星发射优势，美国和俄罗斯等航天大国研制了一系列适应 快速响应空间发射需求的小型运载火箭，为实现快速进入空间奠定了良好基础。 a 天蝎座计划 天蝎座计划的目的是开发一系列低成本、快速反应的运载火箭，使总发射成 本降低到原来的1 5 至1 1 0 。其系列运载火箭包括亚轨道火箭、低地球轨道运载 火箭( s p r i t e ) 和大型运载火箭。其中s p r i t e 具有快速发射能力，可在任务载荷 运至发射场后8 小时内发射，具备将3 1 8 k g 的任务载荷运送至高度1 8 5 k m 、倾角 2 8 5 0 的低地球轨道，发射费用仅为美国现有最廉价发射系统的2 0 。s p r i t e 采用 了可升级的模块化设计方法，导航方式为g p s i n s 组合导航。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学付论文 幽14 天蝎瘴系列运载火箭的快速发射装置 b 金牛座系列运载火箭 金牛座系列运载火箭是在空射飞马座基础上研制的四纽固体、惯性制导、地 面机动发射的运载火箭，其图谱参见下图。火箭采用飞马座x l 的三个火箭级， 除了最小型外，其余型号第一级均采用c a s t o r l 2 0 固体火箭发动机。金牛座运载 火箭发射系统可在地面运输，火箭到达发射场后的准各时间为5 天发射准备好 以后可在7 2 小时内进行发射，金牛座自1 9 9 4 年投入使用以来共进行7 次发射， 成功6 次。 图i5 金牛库系列运载火箭幽谱 c 创始导运载火箭 俄罗斯的小型运载火箭多采用弹改箭技术。 创始号火箭是由s s 2 5 弹道导弹改装而成的四级固体运载火箭，重4 7 0 0 0 k g 直径18 m ，长2 3 m s s o 轨道运载能力为3 0 0 k g 7 0 0 k i n 。创始号1 最近一次发 射是2 0 0 6 年。创始号系列火箭价格低廉，拥有很强竞争力。 第6 面 国防科学技术太学研究生院硕士学位论文 盔堑点盈是一一 图16 创始号运载火箭及其发射车 l2 13 国内发展情况 ( 1 ) 微小卫星技术 1 9 9 2 年，我国著名航天专家陈芳允先生提出了地球环境观n , b 卫星星座系 统的技术方案，其基本思想是利用小卫星星座监测地球环境及其变化。2 0 世纪 9 0 年代是小卫星技术的研究运步得到重视的时期，中国空间技术研究院研制的 以空间科学试验为主要目的“实践5 号”小卫星( 2 9 7 k g ) 已得到成功应用。 2 0 0 1 2 0 0 8 年，我国连续成功发射了海洋一号、“清华1 号”、“纳星一号”、 实践六号、试验二号、创新一号、探索1 号、地球空间双星探测卫星、神七伴星 等高性能现代小卫星。我国未来小卫星计划还包括h j “4 + 4 ”小卫星星座、m s - l 微小卫星、编队飞行干涉s a p , 小卫星系统、实践9 号小卫星、地震电磁小卫星， 以及“夸父”计划等。这些小卫星和卫星系统将用于在对地观测、科学试验、环 境监测、灾害监测等领域。 ( 2 ) 小运载技术与星箭一体化技术 随着对快速进入空间需求的日益迫切和小卫星技术在我国的迅速发展，国内 已开展应急空间技术相关研究工作。 12 2 本文研究内容相关技术进展 本文以临近空问应急轨道飞行器及其相关技术为背景，重点从应急轨道飞行 器的概念、区域覆盖特性、测控系统及其试验、受晒分析以及基于外置摆镜的像 移补偿方法等方面进行了研究。 临近空间应急轨道飞行器的概念研究方面，文献【6 提出了临近空间飞行器 的定义和分类，阐述了各国临近空白j 飞彳亍器的发展现状论述了低速和超高声速 等两类主要临近空自飞行器的潜在优势，预测了i 临近空间飞行器的发展趋势。文 献7 1 提出了快速响应空间作战概念，主要思想是准确、快速、廉价地将载荷送 入太空，为作战提供实时的战役与般术支持，指出了未来美国军事航天的发展方 向。文献 8 论述了应用快速反映战术卫星对关键目标进行及时信息侦察所需的 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 技术以及可行性。文献 9 】提出了在太空部署卫星运载器获得快速响应的概念。 飞行器覆盖特性方面，文献【1 6 】研究了各种遥感卫星对地面的覆盖情况，讨 论了成像的各种约束条件，提出了评估遥感卫星对地覆盖情况的重要性能指标。 文献 1 7 】研究了多颗卫星在某一时刻是否对地球进行全球覆盖的判据及算法。文 献 1 8 】研究了编队飞行卫星覆盖特性的算法及其具体实现。文献【1 9 】研究了使用 共地面轨迹星座建立区域覆盖卫星通信系统的优化设计方法。 测控系统及其试验方面，文献 3 0 分析了高动态临近空间平台测控与信息传 输系统的技术特点。文献 3 1 1 论述了军用小卫星发展所需的新型测控体制及相应 的关键技术。文献【3 2 】论述了小卫星利用中继卫星的可行性以及对拓展t d r s s 系统的研究。文献 3 3 1 分析了微型飞行器测控系统的结构和特点，并研究了其发 展现状。文献【3 4 】研究了卫星地面站天线伺服跟踪系统的最优跟踪技术。 像移补偿方面，文献【5 8 】应用坐标变换方法建立了相机像移补偿计算的数学 模型；文献 5 9 】运用动态光学理论论述了航天相机沿轨道飞行时，进行了航天相 机的像移计算分析；文献 6 0 】分别推导了圆轨道卫星的星载相机对星下点、方位 偏移和俯仰偏移成像时相机偏流角以及目标像移速度的计算公式。 1 3 本文研究内容 本文主要围绕应急轨道飞行器的初步设计做了一些研究，主要工作包括： ( 1 ) 在临近空间概念的基础上，给出了应急轨道的概念，重点分析了应急 轨道飞行器所具有的优势。 ( 2 ) 研究了圆轨道应急轨道平台以及星座的区域覆盖特性，并利用s t k 仿 真软件仿真分析了近圆应急轨道的覆盖特性。 ( 3 ) 分析了应急轨道飞行器相对于地面测控站的运动特性，并进行了地面 捕获天线的布局设计。 ( 4 ) 对应急轨道飞行器地面捕获原理进行了研究，设计了一种车载的高动 态测控试验系统，并进行了地面天线跟踪盲区的研究。 ( 5 ) 对临近空间应急轨道的光照条件进行了研究，建立了轨道阳光角的计 算模型，分析了变化规律；给出了飞行器体轴的太阳光照角的计算方法：研究了 太阳光热收集系统聚焦镜跟踪太阳的控制方法。 ( 6 ) 研究了应急轨道飞行器采用商用相机进行光学成像侦察时的像移补偿 方法。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章应急轨道飞行器概念与优势分析 应急轨道飞行器作为一种新型飞行器，以“快速响应、成本低廉 进入空间 为目标，是空间技术的革命性发展方向。应急轨道飞行器采用通用任务平台，携 带具有若干军事应用价值的低成本载荷，可实现应急发射，任务时间约为7 , , - 3 0 天，能对重点任务区域完成光学成像、雷达成像、电子侦察和应急通信、空间对 抗等应急作战任务。应急轨道飞行器具有对地侦察分辨率高、战场生存能力强、 成本低廉等优点，发展应急轨道飞行器技术对于提升国家战略威慑水平、实现快 速低成本战场探测、满足国家突发危机响应需求、支持未来察打一体化作战等具 有重大的现实意义。 2 1 1临近空间 2 1 应急轨道飞行器的概念 临近空间【】是指高于一般航空器的飞行高度、而又低于一般航天器轨道高度 的空间区域。在这一区域，大气的稀薄特性使得飞机无法获得足够的气动升力而 难以抵达；而大气阻力的耗散作用使得卫星速度会迅速衰减进而导致陨落，因此， 能够长时间在临近空间运行的飞行器种类非常有限。 国际航空组织确定的航空和航天的边界线是1 0 0 k m t l 2 j ，临近空间作为中间 一个新的细分层次应该包括传统航空区域的上层和传统航天区域的下层。目前， 国际上对临近空间区域的具体高度范围尚无完全统一的定义，如国际航空联合会 ( f a i ) 就将高度在2 3 千米到1 0 0 千米的范围定义为临近空间，而国际民用航空 组织( i c a o ) 则仅将1 8 3 千米高度以下的空域作为航空管辖的范围。关于临近 空间的上沿高度更是众说纷纭，1 0 0 千米、1 2 0 千米、3 0 0 千米等都曾在相关文 献中出现。其中1 0 0 千米的说法最为普遍，这很大程度上是受到冯卡门的影响。 上世纪5 0 年代，冯卡门( v o nk d r m d n ) 在研究航空和航天的区别时，通过计 算表明在高度1 0 0 千米以上，飞行器要获得足够的空气升力使自身高度得到保 持，其速度要大于轨道速度，即在高度1 0 0 千米以下，飞行器用小于轨道速度的 速度飞行就可以保持飞行高度，而大于1 0 0 千米就必须作轨道飞行。因此，就将 1 0 0 千米作为航天的界限。这种说法得到了f a i 和世界的公认。但是，随着时间 的推移，我们发现用1 0 0 千米作为航天的高度下限似乎并不完全合理，因为从实 际工程应用上看，我们几乎看不到哪个国家将航天器的高度设计在1 0 0 千米附 近，甚至连长时间飞行于3 0 0 千米高度以下的卫星都难以看到，可见，如果从应 用上讲，将临近空间的高度上限取为1 0 0 千米似乎过于保守，也与现实情况不符。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 这样看来，临近空间的高度下界应该在2 0 , - - , 3 0 千米之间，因为这一高度是 传统飞机、飞艇飞行高度的极限( 能够飞到3 0 千米高度的飞艇长度应在5 0 0 米 以上，已接近现有技术极限) ，如果将气球一起考虑进来，一般大约也只能到 3 5 千米。临近空间的高度上界，如果以长期飞行( 3 个月) 作为航天区域划分的 标准，临近空间高度上限应该在2 0 0 - 3 0 0 千米左右。如果低于这一高度，航天 器将由于大气作用在数天之内很快陨落。为了给临近空间飞行器的发展留有余 地，本文把临近空间的起始高度定为3 0 千米，高度上界定为3 0 0 千米。 在临近空间飞行的飞行器按照飞行速度划分大致可以分为低速临近空间飞 行器和高速临近空间飞行器两大类。其中低速临近空间飞行器多集中在对飞机、 飞艇、气球等现有技术的改进创新上，核心思想是充分挖掘大气的浮力和升力潜 力。高速临近空间飞行器则是在空间飞行原理的基础上，通过推力克服大气阻力 的作用，实现高速长时间飞行能力。 2 1 2 应急轨道 应急轨道是指在临近空间中，运行于3 0 0 千米高度以下，1 2 0 千米高度以上 的飞行轨道。在这一类轨道上运行的飞行器具有成为轨道飞行器的基本条件，但 不具备自然的长期运行能力。其潜在含义是：在这一高度以轨道速度飞行的飞行 器将受到大气阻力的强摄动影响，如果合理加以补偿，则飞行器将可以按航天器 轨道规律运行，如果不加以控制，则飞行器将加速陨落大气层，不具备长期飞行 能力。 应急轨道位于临近空间上层，运行于应急轨道的飞行器具有轨道高度低、对 运载能力要求低等特点。由于其特殊的轨道特点，易于获得较高地面监视分辨率， 较强的隐蔽性和生存能力，以及较强的对地打击潜在军事应用能力，将成为一种 新型的战略威慑力量。 临近空间应急轨道不同于一般航天器的轨道，其最大的特点就是大气阻力摄 动很大，必须采取克服强大气阻力的特别措施，才能维持飞行器较长时间的运行。 为克服大气阻力的强摄动影响，一般需要采取两种措施，一是通过飞行器系统的 优化设计，减小面质比；二是通过提高推进系统能力，增强临近空间飞行器的轨 道维持能力，达到延长任务时间的目的。 2 1 3 应急轨道飞行器 应急轨道飞行器是一类新型飞行器，有别于传