環(huán)月軌道光照條件分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天器總體設(shè)計(jì)與光照條件分析技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種在環(huán) 月軌道飛行的航天器光照條件分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器在軌運(yùn)行時(shí)，其主要能源來自于太陽(yáng)光。當(dāng)航天器位于光照區(qū)時(shí)可通過太 陽(yáng)翼將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能；而當(dāng)航天器處于地影區(qū)時(shí)需要通過自身配備的蓄電池進(jìn)行供 電。因此，對(duì)航天器光照條件的分析計(jì)算是能源分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的依據(jù)。不僅如此，航天器 的光照條件對(duì)其結(jié)構(gòu)的溫度狀況、受太陽(yáng)光壓攝動(dòng)以及地面對(duì)航天器的光學(xué)觀測(cè)等都有直 接的影響。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，大部分光照條件分析方法主要針對(duì)近地軌道運(yùn)行的航天器。近年 來隨著月球探測(cè)的再次興起，世界各國(guó)都開始制定自己的探月計(jì)劃。
[0004] 目前，有許多成熟的商業(yè)軟件（例如，STK)可進(jìn)行環(huán)月軌道光照條件分析，但目前 的分析方法和軟件存在以下三個(gè)方面的不足：
[0005] (1)內(nèi)核算法封裝性強(qiáng)，不便于學(xué)習(xí)和掌握光照條件計(jì)算原理；
[0006] (2)分析軌道參數(shù)對(duì)光照條件的影響時(shí)，需設(shè)置多個(gè)環(huán)月軌道航天器，場(chǎng)景設(shè)置復(fù) 雜，工作量大，不利于分析環(huán)月軌道光照條件與環(huán)月軌道參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系；以及
[0007] (3)光照因子計(jì)算是以軌道仿真的形式進(jìn)行的，光照區(qū)可能出現(xiàn)間斷，不便于計(jì)算 和統(tǒng)計(jì)單個(gè)軌道周期內(nèi)的光照條件，計(jì)算靈活性差。
[0008] 因此，環(huán)月軌道上的光照條件作為探月航天器總體方案設(shè)計(jì)的依據(jù)條件，亟待進(jìn) 行深入分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種簡(jiǎn)單靈活的環(huán)月軌道光照分析和計(jì)算方法， 通過簡(jiǎn)單的坐標(biāo)系變換、投影以及光照條件計(jì)算初始點(diǎn)選擇，計(jì)算環(huán)月軌道單個(gè)軌道周期 內(nèi)的光照因子，使總體設(shè)計(jì)人員僅通過簡(jiǎn)單地修改環(huán)月軌道參數(shù)就可計(jì)算出不同環(huán)月軌道 的光照因子，分析探月航天器在不同環(huán)月軌道上的光照條件。
[0010] 本發(fā)明提供了一種環(huán)月軌道光照條件分析方法，用于僅通過修改航天器環(huán)月軌道 參數(shù)來計(jì)算出不同的環(huán)月軌道的光照因子，從而分析探月航天器在不同的環(huán)月軌道上的光 照條件，包括以下步驟：步驟一，設(shè)置歷元時(shí)刻，計(jì)算太陽(yáng)位置和月球軌道要素；步驟二，根 據(jù)月球軌道要素，計(jì)算從地心赤道慣性系到月心赤道慣性系的第一轉(zhuǎn)換矩陣；步驟三，根據(jù) 第一轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算從月心赤道慣性系到觀察坐標(biāo)系的第二轉(zhuǎn)換矩陣；步驟四，記錄第一真 近點(diǎn)角并將其作為計(jì)算不同環(huán)月軌道在陰影區(qū)的時(shí)間的軌道仿真初始點(diǎn)；以及步驟五，采 用第一真近點(diǎn)角進(jìn)行軌道仿真并計(jì)算星蝕因子和光照因子，以分析在不同的環(huán)月軌道上的 光照條件。
[0011] 優(yōu)選地，在步驟一中執(zhí)行：設(shè)置歷元時(shí)刻，計(jì)算在地心赤道慣性系下的第一太陽(yáng)位 置矢量、月球軌道要素和月球位置矢量。在步驟二中執(zhí)行：根據(jù)在步驟一中獲得的月球位置 矢量，計(jì)算在歷元時(shí)刻的月球赤道與地球赤道的夾角；計(jì)算在歷元時(shí)刻的月球赤道與地球 赤道的升交點(diǎn)赤經(jīng)；以及采用第一規(guī)則計(jì)算在歷元時(shí)刻的第一轉(zhuǎn)換矩陣。
[0012] 優(yōu)選地，在步驟三中執(zhí)行：通過第一太陽(yáng)位置矢量、月球位置矢量和第一轉(zhuǎn)換矩 陣，采用第二規(guī)則，計(jì)算在月心赤道慣性系下的第二太陽(yáng)位置矢量；采用第三規(guī)則，計(jì)算在 月心赤道慣性系下的第二太陽(yáng)位置矢量的方位角和仰角；以及采用第四規(guī)則，計(jì)算從月心 赤道慣性系到觀察坐標(biāo)系的第二轉(zhuǎn)換矩陣，其中，觀察坐標(biāo)系為從太陽(yáng)射線的方向觀察月 球的坐標(biāo)系。
[0013] 在本發(fā)明中，第一規(guī)則為=足6)矣(^)，其中，MlE為第一轉(zhuǎn)換矩陣，以及R x 和Rz分別為繞X軸和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣，第二規(guī)則為：ra=MU (rSE-iYE)，其中，為第二太陽(yáng) 位置矢量，Mu為第一轉(zhuǎn)換矩陣，rSE為所述第一太陽(yáng)位置矢量，以及iye為月球位置矢量，第 三規(guī)則為：〇51=&七&112(7%/151),531= &8；[11(2%/1^),其中，€^和6%分別為第二太陽(yáng) 位置矢量的方位角和仰角，ra為所述第二太陽(yáng)位置矢量，以及xa、y a和分別為在月 心赤道慣性系下x方向、y方向和z方向的分量，以及第四規(guī)則為：M%=RX(- S a)Rz( a ，其 中，M%為第二轉(zhuǎn)換矩陣。
[0014] 優(yōu)選地，在步驟四中執(zhí)行：將在月心赤道慣性系下的航天器的環(huán)月軌道要素轉(zhuǎn)換 為在月心赤道慣性系下得航天器的第一位置速度矢量；根據(jù)第二轉(zhuǎn)換矩陣和第一位置速度 矢量，采用第五規(guī)則，計(jì)算在觀察坐標(biāo)系下的航天器的第二位置速度矢量；從真近點(diǎn)角為零 開始進(jìn)行軌道仿真，并計(jì)算不同的第二位置速度矢量；以及當(dāng)x HV大于零時(shí)，記錄這個(gè)時(shí)刻 的真近點(diǎn)角作為第一真近點(diǎn)角，從而獲得軌道仿真初始點(diǎn)，其中，xHV為第二位置矢量在觀察 坐標(biāo)系下X方向的分量。
[0015] 在本發(fā)明中，當(dāng)軌道仿真初始點(diǎn)位于光照區(qū)時(shí)，使陰影區(qū)在環(huán)月軌道的一個(gè)軌道 周期內(nèi)的軌道仿真過程中完整而不分隔成兩個(gè)部分，以及規(guī)則五為r HV=Mv^，vHV=Mv^，其 中，M%為第二轉(zhuǎn)換矩陣，和v HV為第二位置速度矢量，以及和為第一位置速度矢 量。
[0016] 優(yōu)選地，在步驟五中執(zhí)行：采用第一真近點(diǎn)角作為軌道仿真初始點(diǎn)進(jìn)行軌道仿真； 采用規(guī)則五，計(jì)算在每一個(gè)時(shí)刻下航天器在觀察坐標(biāo)系下的第二位置速度矢量；當(dāng)XHV小于 零且巧時(shí)，航天器進(jìn)入陰影區(qū)，從而記錄在這個(gè)時(shí)刻的真近點(diǎn)角作為陰影區(qū)真 近點(diǎn)角其中，XHv、yHV和z HV分別為第二位置矢量rnv在觀察坐標(biāo)系下x方向、y方向和z方向 的分量，以及&為月球半徑；進(jìn)行一個(gè)軌道周期的仿真，從而得到陰影區(qū)真近點(diǎn)角的集合； 以及根據(jù)陰影區(qū)真近點(diǎn)角的集合計(jì)算陰影區(qū)時(shí)間，從而采用規(guī)則六計(jì)算星蝕因子和光照因 子。
[0017] 規(guī)則六為：ke=Te / T，ks=l-Te / T，其中，T為環(huán)月軌道的軌道周期，I；為陰影區(qū)時(shí) 間，k6為星蝕因子，ks為光照因子。
[0018] 因而，通過本發(fā)明的環(huán)月軌道光照條件分析方法，計(jì)算方法更加簡(jiǎn)單靈活且計(jì)算 結(jié)果更加精確，可以方便地分析環(huán)月軌道光照條件與環(huán)月軌道參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而 便于學(xué)習(xí)和掌握光照條件計(jì)算原理，不需要設(shè)置多個(gè)環(huán)月軌道航天器，場(chǎng)景設(shè)置簡(jiǎn)單，工作 量也大大減少了。
【附圖說明】
[0019] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的環(huán)月軌道光照條件分析方法的流程圖；
[0020] 圖2為根據(jù)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的環(huán)月軌道的光照幾何關(guān)系圖；
[0021] 圖3為根據(jù)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的環(huán)月軌道的陰影區(qū)真近點(diǎn)角的曲線圖；
[0022] 圖4為采用根據(jù)本發(fā)明的環(huán)月軌道光照條件分析方法計(jì)算的環(huán)月軌道光照區(qū)軌 跡的示意圖；以及
[0023] 圖5為采用STK計(jì)算的環(huán)月軌道光照區(qū)軌跡的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025] 本發(fā)明的具體思路如下，具體地，需要執(zhí)行以下步驟：
[0026] 步驟1:設(shè)置歷元時(shí)刻h，計(jì)算地心赤道慣性系下太陽(yáng)的位置矢量rSE和月球軌道 要素W以及月球位置矢量iye;
[0027] 步驟2:由步驟1中獲得的月球軌道要素W計(jì)算地心赤道慣性系到月心赤道慣性 系的轉(zhuǎn)換矩陣Ae;
[0028] 步驟3:由步驟1獲得的太陽(yáng)位置矢量rSE、月球位置矢量&和步驟2獲得的轉(zhuǎn)換 矩陣計(jì)算月心赤道慣性系下太陽(yáng)位置矢量ra，以及月心赤道慣性系到從太陽(yáng)射線方向 觀察月球的觀察坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣M%;
[0029] 步驟4 :由月心赤道慣性系下的航天器環(huán)月軌道要素P以及步驟3獲得的M%計(jì)算 觀察坐標(biāo)系下航天器的位置速度矢量[rHv，VHV]，由真近點(diǎn)角0=0°開始計(jì)算，若初次出現(xiàn) Xav> 〇,則記錄此時(shí)的真近點(diǎn)角Q(!;以及
[0030] 步驟5 :由步驟4獲得的0 ^進(jìn)行軌道仿真，并按步驟4計(jì)算相應(yīng)的觀察坐標(biāo)系下 的位置速度矢量[rHV, ViJ,記錄xHV < 0且< i?〗的真近點(diǎn)角集合Q，并計(jì)算星蝕因子 和光照因子。
[0031] 具體地，圖1為根據(jù)本發(fā)明的環(huán)月軌道光照條件分析方法的流程圖，圖2為根據(jù)本 發(fā)明【具體實(shí)施方式】的環(huán)月軌道的光照幾何關(guān)系圖，圖3為根據(jù)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的環(huán)月 軌道的陰影區(qū)真近點(diǎn)角的曲線圖，圖4為采用根據(jù)本發(fā)明的環(huán)月軌道光照條件分析方法計(jì) 算的環(huán)月軌道光照區(qū)軌跡的示意圖，圖5為采用STK計(jì)算的環(huán)月軌道光照區(qū)軌跡的示意圖。 以下將參考圖1-圖5來詳細(xì)描述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0032] 如圖1所示，本發(fā)明的環(huán)月軌道光照條件分析方法包括如下流程。
[0033] 步驟1 :設(shè)置歷元時(shí)刻，計(jì)算太陽(yáng)位置和月球軌道要素。
[0034] 首先設(shè)置初始?xì)v元時(shí)刻tQ，其格式為[yearmonthdayhrminsec]。計(jì)算此時(shí) 刻的地心赤道慣性系下太陽(yáng)的位置矢量rSE和月球的軌道要素W以及月球位置矢量iye，計(jì) 算方法可參考郗曉寧等編著的《月球探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)》中的附錄B。
[0035] 步驟2 :計(jì)算地心赤道慣性系到月心赤道慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0036] 由步驟1中獲得的月球位置速度矢量W可計(jì)算出歷元時(shí)刻h月球赤道與地球赤 道的夾角&，月球赤道相對(duì)于地球赤道的升交點(diǎn)赤經(jīng)& L，計(jì)算方法可參考《月球探測(cè)器軌道 設(shè)計(jì)》一書中的13-14頁(yè)的內(nèi)容。地心赤道