一種基于二次反射的高精度衛(wèi)星太陽(yáng)光壓攝動(dòng)力建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于二次反射的高精度衛(wèi)星太陽(yáng)光壓攝動(dòng) 力建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高精度衛(wèi)星精密定軌與軌道預(yù)報(bào)精度要求提高，盡可能精確的衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模 型成為工程需要。W導(dǎo)航衛(wèi)星為例，光壓攝動(dòng)作為目前中高軌衛(wèi)星最主要的誤差源，其精確 度直接影響衛(wèi)星的精密定軌與軌道預(yù)報(bào)。太陽(yáng)光壓是光壓攝動(dòng)最主要的攝動(dòng)源，因此，考慮 二次反射的高精度衛(wèi)星太陽(yáng)光壓攝動(dòng)力建模的研究是必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于二次反射的高精度衛(wèi)星太陽(yáng)光壓攝動(dòng)力建模方 法，能夠完善并提高高精度衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)一步提高精密定軌、軌道預(yù)報(bào)精度。
[0004] 本發(fā)明的一種基于二次反射的衛(wèi)星太陽(yáng)光壓攝動(dòng)力建模方法，包括如下步驟： 陽(yáng)〇化]步驟1、獲取待建模衛(wèi)星的表面=維模型，確定衛(wèi)星的所有表面部件，將每個(gè)表面 部件的表面劃分成多個(gè)面元；
[0006] 步驟2、用面積等于衛(wèi)星外形最大包絡(luò)的方形像元陣列作為模擬太陽(yáng)光源，每個(gè)像 元作為一個(gè)小光源并發(fā)出一條垂直于方形像元陣列的太陽(yáng)光線，所述模擬太陽(yáng)光源與衛(wèi)星 的距離為一個(gè)天文單位；
[0007] 步驟3、針對(duì)所述衛(wèi)星的各個(gè)表面部件，記錄所述模擬太陽(yáng)光源的每個(gè)像元發(fā)出 的光線與表面部件最短距離的交點(diǎn)和相應(yīng)的入射角，統(tǒng)計(jì)第i個(gè)表面部件上有所述交點(diǎn)的 面元數(shù)量，即為初次照射第i個(gè)表面部件的有效被照射面元數(shù)量Awfi;i= 1，2,...N，其中 N為表面部件數(shù)量；
[0008] 根據(jù)有效被照射面元數(shù)量Awfi，得到第i個(gè)表面部件由模擬太陽(yáng)光源初次照射所 受的法向光壓攝動(dòng)力fnilW及切向光壓攝動(dòng)力fsil;
[0009] 步驟4、首先，針對(duì)各個(gè)表面部件，根據(jù)步驟3獲得的所有入射光線的交點(diǎn)和入射 角，繼而確定入射光線在所在面元上的反射光線；
[0010] 其次，統(tǒng)計(jì)第i個(gè)表面部件與所述反射光線有最短距離交點(diǎn)的面元個(gè)數(shù)Awf2,則 第i個(gè)表面部件被二次照射中漫反射的有效面元數(shù)為Awf2，v(1-y)，鏡面反射的有效面元 數(shù)為Aieff2 ?Vy; W11] 然后，根據(jù)Awf2?v(l-i〇,獲得第i個(gè)表面部件在二次照射中由漫反射引起的法 向光壓攝動(dòng)力f；i2d;根據(jù)AWf2 ?Vy，獲得第i個(gè)表面部件在二次照射中由鏡面反射引起的 法向光壓攝動(dòng)力fni2m和切向光壓攝動(dòng)力fsi2m; 陽(yáng)〇1引最后，得到第i個(gè)部件所受的總的法向光壓攝動(dòng)力片1為： 陽(yáng)01 3] fni=fnil+fni2d+fni2m；
[0014] 總的切向光壓攝動(dòng)力fsi為： 陽(yáng)01 引fsi=fsil+fsi2m;
[0016] 步驟5、根據(jù)各個(gè)表面部件的安裝位置和法線方向，將所有表面部件的法向光壓攝 動(dòng)力f。郝切向光壓攝動(dòng)力fsl分別分解到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的立個(gè)軸方向，并得到各軸方向 的合力，最后得到各軸方向的光壓攝動(dòng)加速度；
[0017] 步驟6、采用步驟2-5的方法，在一個(gè)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，W設(shè)定角度為步長(zhǎng)，計(jì)算設(shè) 定時(shí)間內(nèi)每個(gè)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)周期不同時(shí)刻的太陽(yáng)光壓攝動(dòng)加速度；針對(duì)計(jì)算結(jié)果，通過(guò)傅里葉 多項(xiàng)式擬合得到太陽(yáng)光壓攝動(dòng)加速度的數(shù)學(xué)模型。
[0018] 較佳的，所述步驟6中的設(shè)定時(shí)間為半年。
[0019] 較佳的，所述像元大小為ImmX1mm。
[0020] 較佳的，所述面元大小為ImmX1mm。
[002U 較佳的，所述初次照射法向光壓攝動(dòng)力片11為：
[0022]
陽(yáng)〇2引切向光壓攝動(dòng)力fsii為：
[0024]
[0025] 其中，j= 1，2，...，M，M為表面部件上面元數(shù)量，X為日蝕因子，C為光速，6,。。= 1367W/m2為太陽(yáng)福射強(qiáng)度；0 1,為第i個(gè)表面部件的第j個(gè)面元的光線入射角；V1表示第 i個(gè)表面部件的反射率、ii1第i個(gè)表面部件的鏡面系數(shù)。
[0026] 較佳的，二次照射中，第i個(gè)表面部件由漫反射引起的法向光壓攝動(dòng)力f；i2d為：
[0027]
[0028] 第i個(gè)表面部件由鏡面反射引起的法向光壓攝動(dòng)力f；i2m和切向光壓攝動(dòng)力f 為：
[0031] 其中，j= 1，2，...，M，M為表面部件上面元數(shù)量，X為日蝕因子，C為光速，6,。。= 1367W/m2為太陽(yáng)福射強(qiáng)度；0 1,為第i個(gè)表面部件的第j個(gè)面元的光線入射角；V1表示第 i個(gè)表面部件的反射率、ii1第i個(gè)表面部件的鏡面系數(shù)。
[0032] 較佳的，所述步驟6中所述設(shè)定角度為10°。
[0033] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0034] (1)本發(fā)明的建模方法能夠建立復(fù)雜衛(wèi)星包含二次反射的高精度太陽(yáng)光壓攝動(dòng)模 型，作為中高軌衛(wèi)星最主要的非保守力，能夠完善并提高高精度衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)一步提 高精密定軌、軌道預(yù)報(bào)精度。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系示意圖；
[0036] 圖2為衛(wèi)星軌道弧段示意圖；
[0037] 圖3為太陽(yáng)光線像元陣列示意圖；
[0038] 圖4為本發(fā)明的建模方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0040] 如圖4所示，本發(fā)明的建模方法的具體步驟如下：
[0041] 1)選取衛(wèi)星本體坐標(biāo)系作為太陽(yáng)光壓攝動(dòng)建模的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，如圖1所示，W衛(wèi) 星的中屯、的坐標(biāo)原點(diǎn)，沿太陽(yáng)翼方向?yàn)閅軸，X軸垂直Y同時(shí)垂直衛(wèi)星的一個(gè)表面，Z軸同時(shí) 垂直于Y軸、X軸W及衛(wèi)星的一個(gè)表面；
[0042] 2)基于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系，獲取待建模研究衛(wèi)星的表面=維模型，對(duì)衛(wèi)星所有表面 部件編號(hào)記為i，i為1，…，N，建立包括每個(gè)衛(wèi)星表面部件的衛(wèi)星表面參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)表 面部件的信息包括：部件的形狀（例如矩形、圓柱、拋物面等）、部件相對(duì)本體系的安裝位置 (r"，ryi，ru)T、表面積Ai、反射率Vi、鏡面系數(shù)y1、表面部件的外法線在本體系中的單位矢 量Pi= (Xi，yi，Zi)T;
[0043] 3)衛(wèi)星姿態(tài)巧制模式和太陽(yáng)矢量運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析。設(shè)太陽(yáng)在J2000慣性系中的矢 量為A>衛(wèi)星的軌道六根數(shù)中升交點(diǎn)經(jīng)度Q、軌道傾角i、升交點(diǎn)幅角U，J2000慣性系下的 太陽(yáng)矢量？、依次經(jīng)過(guò)3-1-2 =次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可W轉(zhuǎn)到軌道坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)矩陣為：
[0044]
[0045] 再設(shè)衛(wèi)星按321轉(zhuǎn)序姿態(tài)角為：滾動(dòng)角^、俯仰角0、偏航角11)，則軌道坐標(biāo)系與 衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為：
[0046]
[0047] 則太陽(yáng)矢量在基準(zhǔn)本體系中的矢量為：
[0048]
W例本體系中，沿太陽(yáng)矢量方向的單位向量記為/I.二(A'.,.r.才。
[0050] 4)根據(jù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行參數(shù)，判斷衛(wèi)星的光照條件，衛(wèi)星在軌所經(jīng)歷的不同光照弧 段如圖2所示。
[0051] 設(shè)X為日蝕因子，日照區(qū)X= 1，半影區(qū)X線性減小，本影區(qū)減為X=0。每個(gè) 表面部件受的攝動(dòng)力根據(jù)所處弧段乘對(duì)應(yīng)的日蝕因子。
[0052] 5)用面積等于衛(wèi)星外形最大包絡(luò)的方形像元陣列模擬太陽(yáng)光源，像元陣列的指向 垂直于太陽(yáng)矢量，距離衛(wèi)星本體系為一個(gè)天文單位，如圖3所示，相鄰像元陣列的間隔1mm。 定義像元陣列坐標(biāo)系為：坐標(biāo)原點(diǎn)在像元陣列的中屯、點(diǎn)，Z軸沿太陽(yáng)矢量方向，X軸在像元 陣列內(nèi)，平行于像元陣列某一邊長(zhǎng)，z軸與X、Y軸符合右手旋轉(zhuǎn)。設(shè)每個(gè)像元中屯、點(diǎn)在像元 陣列坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為P,,k= (j，k，0)，在每個(gè)像元中屯、添加一個(gè)太陽(yáng)到衛(wèi)星方向的單位 矢量，作為模擬光線，記為R,ik(j表示矢量在陣列中所處的行，k表示矢量在陣列中所處的 列）。j、k的范圍為-N，…，0，…，N，N的大小由衛(wèi)星表面積的最大包絡(luò)確定。
[0053] 根據(jù)像元陣列坐標(biāo)系的定義和本體系中太陽(yáng)矢量的指向，本體坐標(biāo)系與像元陣 列坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為：
[0054] L=Ry(0y).Rz(0z) W對(duì)其中
[0056] 每個(gè)像元中屯、點(diǎn)在本體系中的坐標(biāo)為：
[0057]
[005引 6)計(jì)算初次照射引起的太陽(yáng)光壓攝動(dòng)力。由本體系中太陽(yáng)指向、像元中屯、點(diǎn)坐標(biāo)、 W及部件數(shù)據(jù)庫(kù)，建立光路跟蹤函數(shù)