[發明專利]一種高面質比航天器軌道動力學分析方法

在審

• 申請號: 201610039859.2
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105718659A
• 公開（公告）日: 2016-06-29
• 發明（設計）人: 寧昕;李琪;袁建平;岳曉奎
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種高面質比航天器軌道動力學分析方法，屬于航天器軌道動力學領域；分別對太陽光壓、大氣阻力、地球陰影等攝動力分別進行了建模，然后基于哈密爾頓原理建立了整個系統的動力學模型。本發明分別分析了太陽光壓和大氣阻力對高面質比航天器影響，同時還分析得到了在這些攝動力共同作用下的平衡軌道。本發明不需要對軌道要素進行平均處理，因此精度較高并且易于理解。本發明不僅能夠用于繞地高面質比航天器的軌道分析，還能用于繞其他行星的高面質比航天器分析，因此應用范圍廣泛。

技術領域

本發明涉及一種航天器軌道動力學分析方法，屬于航天器軌道動力學領域。

背景技術

1957年10月4日，蘇聯成功地發射了第一顆人造衛星，開創了空間時代，隨著人類空間領域的不斷發展，大量面向不同任務要求的航天器被送入太空。然而在人類進入空間的初期，只是利用了近地的環地球軌道，完成較單一的使命。近幾十年來，隨著航天技術的迅速發展和人類社會的不斷進步，產生了各種各樣的航天應用和研究領域，同時也產生了各種各樣的航天器，高面質比航天器就是其中的一種，如太陽帆、充氣衛星以及目前正在研發的芯片衛星等都屬于高面質比航天器。

近些年來將太陽帆用于深空探測等任務的研究被廣泛進行，相對于傳統的航天器利用化學燃料產生推力，太陽帆是利用太陽光子撞擊帆面后發生動量交換的原理產生太陽光壓力推動其做各種軌道機動運行。因此，太陽帆可以源源不斷的獲得推力而不受化學燃料的限制，同時由于太陽帆不需要攜帶大量的燃料，這樣就可以減小發射質量，極大的降低發射成本。除了被廣泛的用于深空探測的研究，太陽帆也在不斷的被應用于地球軌道任務的研究，例如將太陽帆用于地球磁場尾跡探測的任務。由于太陽帆顯著的高面質比特性，因此可以利用太陽光壓力實現軌道拱線的太陽同步進動，這樣就可以被動的長時間處于地球磁場尾跡中，進行長時間的觀察，這些都說明研究高面質比飛行器有著極其重要的意義。

為了更加準確的理解這些航天器的在軌運行狀態，需要對其軌道動力學重新進行分析研究。與傳統意義上的航天器不同，由于其顯著高的面質比特性會使得太陽光壓力和大氣阻力等攝動力對其軌道產生極其重要的影響，因此就需要重新認識該類航天器的軌道。由于太陽光壓力和大氣阻力都是與面質比成比例的，因此在該類航天器的動力學建模過程中必須考慮太陽光壓力和大氣阻力的作用效果。傳統的航天器都是以開普勒軌道為基礎，并利用控制系統裝置消除這些攝動力對軌道的影響。然而在高面質比航天器軌道設計中并不是主動的抵消太陽光壓力和大氣阻力等攝動力對軌道的影響，而是主動利用這些攝動力獲得新的任務軌道。另一方面，傳統的軌道動力學分析都是以高斯攝動方程為基礎，然而對于高面質比航天器，由于太陽光壓力和大氣阻力的復雜性，會使得高斯攝動方程只能用于特殊情況下的軌道分析。當前對于高面質比航天器的軌道動力學分析方法主要是基于高斯攝動方程的分析方法，該方法形式簡單、意義明確，但是通常需要借助軌道平均技術對其進行求解，這會使得計算精度降低同時隨著攝動力的增多對于該方程的求解會變得十分的困難。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于哈密爾頓原理的高面質比航天器動力學分析方法，能夠提高計算精度和計算效率。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

(1)計算地球慣性坐標系下地球的引力勢能其中，φ代表地心緯度，P_n代表第n階勒讓德多項式，R代表地球的半徑，μ代表引力系數，J_n代表帶諧系數，r代表航天器所在位置處的地心距；

(2)計算太陽光壓力其中代表太陽光壓力，A代表航天器的橫截面積，P代表太陽光壓強度，代表太陽光線的單位矢量，代表沿著表面正法線方向的單位矢量。ρ_a表示被吸收系數，ρ_d表示漫反射系數，ρ_s表示完全反射系數；