北斗卫星导航系统中MEO与IGSO卫星的弃置策略研究

BeiDou Navigation Satellite System (BDS) is China's own satellite navigation system, serving as an important role in national defense, economy and civil life. To secure the limited orbit resource and the safety of navigation satellites, the decommissioned satellites must be disposed of appropriately and effectively, keeping a safe distance from the operational orbits...Current major Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) adopt operational orbits inclined around 55 degrees. Previous researches show that almost all these orbits have significantly increased eccentricities in the long-term evolution, yet no generally effective disposal strategies have been proposed to account for such long-term effects...In this research, we would work on the disposal strategies for BDS satellites at MEO and IGSO, after the working lifetimes of these satellites. The research will be based on our previously achieved results on the orbit dynamics of BDS IGSO satellites. With representative BDS satellites selected at MEO and IGSO, we study the disposal strategies of both the graveyard orbit and the re-entry orbit. The costs of the strategies will be evaluated with the speed increment needed to inject into the disposal orbits. The disposal effect and cost will be jointly used to assess the feasibility.

北斗卫星导航系统是我国自主的卫星导航系统，在国防、经济建设、日常生活中起着重要的作用。为了保障有限的轨道资源和导航卫星的安全，退役后的卫星需采取合理、有效的弃置策略，远离卫星的正常工作轨道。..目前主流的卫星导航系统多数都采用了55度左右的倾斜轨道，虽然研究表明这类轨道在长期演化过程中几乎都会出现偏心率增大的情况，但目前对于这些导航卫星仍没有有效、通用的弃置策略。..本课题将研究的是我国北斗卫星导航系统中地球轨道（MEO）和倾斜同步轨道（IGSO）卫星在工作寿命结束后的弃置策略。研究将以课题组在以往开展的相关研究为基础，针对目前北斗系统中MEO和IGSO中代表性卫星轨道，研究墓地轨道和再入轨道的实现策略。同时各弃置策略将以转移入相应轨道的变轨速度增量为代价，评估其适用性。

空间碎片是维持空间活动安全和可持续性不可忽视的问题。空间碎片的减缓是主动降低碰撞风险、维持空间活动可持续的重要手段之一。为此，国际社会及主要航天大国都对“重点区域”卫星寿命结束后的弃置策略给出了建议。..本项目主要研究的是IGSO、MEO这类倾角在55度左右的中高轨卫星的弃置策略。对于这一问题，研究内容包括（1）适用于这类卫星中长期轨道预报的半分析法积分器以及（2）采用再入策略弃置的结果及可行性。..对于半分析法积分器，针对这类中高轨卫星所处的摄动环境和可能遇到的轨道共振和长期共振，消除了系统短周期摄动加速度，构造了合适的平均化系统用于描述IGSO、MEO的长期演化。..利用上述半分析法积分器对北斗系统中现有的北斗二号和三号部分工作及试验IGSO卫星进行长期轨道预报测试，通过和数值方法预报结果的对比，证实该积分器在300～400年尺度内和数值方法预报结果具有很好的一致性，完全能够满足本课题所需的预报时长，并且可以支持开展进一步的长期轨道演化的动力学研究。..利用上述半分析法积分器对北斗IGSO卫星长期轨道演化开展的动力学研究在正文中具体介绍，关于本课题关心的使用再入策略弃置北斗IGSO的问题，利用多目标粒子群算法（MOPSO）结合前述的半分析法积分器，得到了对不同IGSO卫星关于再入时间和离轨速度增量的帕累托最优曲线。结果表明，即使是对于初始升交点赤经位于“不稳定”区域的IGSO，要想实现100年以内的再入也需要数十km/s的离轨速度增量，这一策略对于实际应用来说并不合适。..在本课题支持下，除了上述内容，还对空间碎片领域的其他相关问题或有关技术进行了研究。有关内容和结果包括：.（1）大偏心率轨道的参数化；.（2）星上轨道自主计算方法；.（3）中高轨卫星初轨确定算法；.（4）空间碎片动力学模型基准选取；.（5）星链卫星星座设计分析及实现；.（6）轨道摄动分析解中倾角函数的计算。.上述具体研究内容及结果在正文中详述。