[發明專利]一種基于太陽帆推進技術的航天器日心橢圓懸浮軌道設計方法

有效

• 申請號: 201610496817.1
• 申請日: 2016-06-28
• 公開（公告）號: CN106096204B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 代洪華;陳建林;袁建平;孫沖
• 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: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 王萌

【技術領域】

本發明涉及航空航天領域，特別涉及一種對航天器日心橢圓懸浮軌道進行設計的通用方法。

【背景技術】

進入二十一世紀后，隨著航天技術、材料技術的發展，先進的推進技術呈現出蓬勃發展的趨勢。太陽帆推進裝置、電推進裝置等先進推進系統由于其借助太陽光壓而不消耗化學燃料等優勢，已經成為航天任務中最具有應用前景的推進技術。JAXA/NASA等航天局已經對此開展了空間驗證試驗。2010年日本的IKAROS項目首次將太陽帆航天器成功送入了太空，正式開啟了人類利用太陽帆推進航天器的序幕。太陽帆推進技術由于不需要消耗化學燃料且能產生連續的推進力，可用于航天器的強非開普勒軌道的設計。

相比于傳統航天器，太陽帆航天器能夠利用太陽光壓產生連續推進力，完成很多傳統航天器無法實現的航天任務，例如，行星的極點區域觀測任務、土星環的原點觀測任務，人工拉格朗日點任務等等。因此，太陽帆航天器在長時間、高能量的深空任務中具有巨大的應用潛力。目前，針對以圓軌道運行的行星極點區域實時觀測任務，很多研究者設計了日心圓懸浮軌道用于實現這類任務；針對行星表面某一區域的定點觀測以及行星附近空間環境探測任務，以行星為中心的圓懸浮軌道也得到了充分的研究；人工拉格朗日點軌道在空間環境的測量任務和太陽活動的預警任務中的應用也被廣泛研究。然而，有些行星繞太陽進行橢圓運動，為了實現對其極點區域的實時觀測，需要研究日心橢圓懸浮軌道，目前受限于對這類軌道建模方法的研究，這類軌道很難實現。

【發明內容】

本發明提供了一種基于太陽帆推進技術的航天器日心橢圓懸浮軌道設計方法。

一種基于太陽帆推進技術的航天器日心橢圓懸浮軌道設計方法，包括以下步驟：

(1)根據任務要求，確定位于日心橢圓開普勒軌道上的待觀測天體在日心慣性坐標系下的軌道要素；

(2)初步設定日心橢圓懸浮軌道懸浮的軌道參數，至少包括半長軸、偏心率和懸浮高度；

(3)將步驟(2)初步設定的懸浮高度分解為常值的懸浮高度以及與太陽—被觀測天體之間距離成正比變化的懸浮高度兩部分；

(4)根據步驟(3)的結果建立旋轉非一致相合坐標系，然后在該坐標系下建立太陽帆航天器軌道動力學模型；

(5)根據上述動力學模型，尋求平衡條件，然后根據該平衡條件和太陽光壓力模型結算滿足該日心橢圓懸浮軌道所需要的太陽帆姿態角和反射率。

(6)針對設計的橢圓懸浮軌道，驗證太陽帆姿態是否可實現。

進一步，步驟(6)確定的橢圓懸浮軌道應確保太陽帆航天器的反射率變化不超出范圍、太陽帆航天器具有與被測行星相同的瞬時角速度，且太陽帆航天器在日心橢圓懸浮軌道上運動并實時位于被測行星的極點上方。

進一步，步驟(3)的具體方法為：太陽帆航天器日心橢圓懸浮軌道的懸浮高度H(f)根據以下公式進行分解：

上式中，可唯一確定一組解(L,k)，其中L表示一個常值的懸浮高度，而k為常數，表示一個隨真近點角θ變化而變化的懸浮高度k·S(θ)。

進一步，在真近點角θ處，被觀測天體到日心的距離為：

上式中，a,e分別代表橢圓懸浮軌道的長半軸和偏心率。

進一步，步驟(4)中的旋轉非一致相合坐標系的建立方法為：根據常值的懸浮高度L建立旋轉坐標系O_rX_rY_rZ_r，其中，坐標平面O_rX_rY_r平行于被觀測天體的軌道平面，被觀測天體的軌道平面與橢圓懸浮軌道之間的距離為L，O_rZ_r軸垂直于平面O_rX_rY_r；坐標系O_rX_rY_rZ_r繞近焦點坐標系O_rX_pY_pZ_p的O_rZ_p軸以變化的角速度逆時針旋轉，在旋轉坐標系O_rX_rY_rZ_r的基礎上，使用變化的太陽—被觀測天體之間的距離S(θ)為單位長度，對其三個坐標軸進行歸一化處理，得到旋轉非一致相合坐標系O_rxyz。

進一步，所述步驟(4)的動力學模型為：