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在轨卫星寿命预测
吴风雷杨晨刘景勇
(北京航天指挥控制中心卫通站,北京102205)
摘要结合地球静止卫星寿命预测的实例、针对卫星长期管理过程中经常遇到的寿
命预测问题,侧重于燃料消耗分析,围绕燃料测量方法、燃料的主要用途、燃料消耗混
合比、寿命预测的输出形式等应考虑的几个重要因素对如何准确预测卫星寿命进行了详
细的论述,为我国长寿命卫星的寿命预测提供了有力借鉴。
关键词卫星寿命预测研究
日U舌
卫星的寿命问题是涉及到卫星设计与制造、卫星控制与决策的重要问题,为卫星制造商、丁J
星运营商、卫星保险商、p星应用系统和卫犀测控技术人员普遍关心。它甚至影响了卫星的设计、
控制、任务执行、战略决策等重人问题。特划是当卫星安全发射之后,如何准确预测其寿命对任
务决策具有非常重要的意义。
l 影响寿命的主要因素
影响卫星寿命的因素很多,从外界环境到自身器件健康状况,从控制策略到携带的燃料情况
等等。目前在航天丁程实践当中,外界的毁灭性破坏或人为失误都是小概率事件、卫星自身器件
的损坏大多数情况下也有备份器件补救、卫星的优化控制方法也被普遍采用,闭此在不出现故障
和意外的情况下,这些因素当中起到决定因素的是卫星携带的燃料的多少。因此,卫星寿命预测
和分析很大程度上就是卫星的燃料消耗预测与分析。
1.1外界环境
外界环境主要是指卫星在太空中的环境情况。包括力学环境、空间碎片、天文现象等内容。
Ll-1力学环境
每个卫星都有其特有的力学环境,这是由卫星的运行轨道决定的。如低轨卫星的轨道除了地
球引力外要考虑空气阻力:地球静止卫星的轨道除了地球引力外要考虑日月引力、太阳辐射压力;
星际飞行器要考虑更多天体和外力的交叉作用。这些外部的力学环境是卫星存在的基础,也是其
要执行其特定任务、维持其特定的轨道的工作寿命必须面对的基本问题。
以地球静止同步卫星为例。不同定点经度卫星的漂移加速度不同,不同面质比(太阳帆板面
积和卫星质量的比值)的卫星偏心率演化圆的半径不一样;由此要维持不同地球静止通信卫星的
轨道要克服的力学特性就不一样,其寿命也会有所差异。
1.1.2空间碎片
空间碎片的影响和卫星发射早期的火箭发射风险一样,如果出现一次撞击或故障卫星将会受
到致命打击,一般情况下卫星寿命也就此完结。这对于低轨卫星和高轨的地球同步轨道卫星而言
都存在类似的问题。因此,目前各个国家之间正在携手合作共同关注并努力减少空间垃圾和碎片,
同步轨道卫星也增加了在寿命末期进行离轨的操作。
1.1_3天文现象
太阳风暴活动和流星雨是影响卫星活动的最重要的两种天文现象。他们对卫星带来的电磁影
响和直接物理打击不可小视,一般通过减少在高峰时段进行关键的姿轨控操作、调整太阳能帆板
的位置减少横截面积等措施来规避和降低它们对卫星寿命带来的致命影响。
1.2器件性能
卫星自身关键器件的可靠性和性能对卫星的寿命也起着决定作用,特别是无备份器什的单点
故障。在不出现关键器件的失效故障的情况下,电源系统中太阳能帆板正常的效率F降是长寿命
卫星寿命预测中应该给予关注的问题。
1.3燃料情况
卫星携带的燃料的初始质量和工作期间燃料的消耗情况,特别是卫星在轨工作期间燃料消耗
的实际情况与卫星任务设计时燃料预算的差异是准确预测卫星实际寿命的关键。
1 4控制指标与策略
相同类型的卫星由于其控制指标和控制策略的差异也会影响到其实际使用寿命。以地球静止
00036,
卫星为例,一般的控制窗口是星下点在标称定点位置十/0.1度的范围内,偏心率小于0
响卫星寿命。
1 5人为失误
人为的分析或操作错误也有可能对卫星的安全带来致命影响,这是在航天测控实践中应尽力
避免发生的情况。
2燃料消耗分析与预测
燃料消耗分析与预测是卫星寿命预测中最本质、最易于量化的一个因素。特别是在卫星的寿
命末期,对卫星剩余燃料的估计和未来燃料消耗的预测对任务决策意义重大。这当中涉及到燃料
消耗的测量方法、燃料消耗数据的统计与分析、未来燃料消耗预测、寿命预测结果的输出形式等
内容。
2.1测量方法
燃料消耗分析的基础是剩余燃料的测量,目前有三种测量方法测量储箱中
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