天琴计划无月影卫星轨道设计进展

相比将航天器部署于距离地球数千万公里的日心轨道方案，地心轨道方案在转移入轨、遥测遥控、导航制导、数据通信等方面具有优势。但天琴地球轨道方案也面临独特挑战。由于星座位于地月系内，卫星进出地球、月球阴影对科学载荷的温控和供电产生不良影响，可能破坏科学观测的连续性。针对这一问题，张雪峰副教授与博士生叶伯兵开展了系统研究，取得了重要进展。

天琴卫星进出月球阴影与热控问题直接相关，而在轨道设计中避免阴影事件发生是最为便捷高效的办法。应该注意的是，地球阴影事件仅发生在科学观测窗口（至少3＋3个月）之外，并不影响正常观测。为找到合适的无月影轨道，团队采取了联合调节轨道相位和半径的策略，创造性地提出了1:8月相共振轨道设计，即一个农历月（约29.5天）内卫星绕地8圈，以保持轨道运动与月影运动之间的固定相位关系，从而显著减小月影事件发生的概率（下图展示在月影锥为x轴的旋转坐标系下的卫星运动轨迹）。此类型轨道对应半径约为100900 km，只在原有10⁵ km半径的基础上做微调，可实现五年任务期的所有3＋3个月观测窗口内（6月8日 至9月6日，12月7日至3月7日）无阴影事件且同时满足星座构型稳定性要求，对应的轨道初始相位可选范围则为15°，便于轨道控制的实现。此外，若牺牲部分初始相位可选范围，则无阴影的观测窗口时长可延长至4＋4个月或更长。由此可见，天琴轨道的阴影问题能够得到较为圆满的解决。

参考文献

1. B. Ye, X. Zhang, Y. Ding, Y. Meng, Phys. Rev. D 103, 042007 (2021) arXiv:2012.03269