CN103593551A - 一种基于高轨光学成像卫星的太阳光压计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高轨光学成像卫星的太阳光压计算方法，首先建立高轨光学成像卫星的太阳光压反射模型，所述太阳光压反射模型包括用于表征卫星本体的立方体和用于表征卫星帆板的方板；方板与立方体的相对位置取决于真实卫星中卫星本体和卫星帆板的相对位置关系；立方体的姿态以及轨道位置参数同真实卫星中卫星本体的姿态和位置；立方体与方板的反射系数分别与真实卫星中卫星本体和帆板的反射系数相同；然后利用所建立的太阳光压反射模型，通过求取卫星本体所受太阳光压力和帆板所受太阳光压力的矢量和获得高轨光学成像卫星的太阳光压。本发明的方法能够更加精准地计算出卫星受到太阳光压，使得卫星动力学参数确定和轨道控制更加精确。

Description

一种基于高轨光学成像卫星的太阳光压计算方法

技术领域

本发明涉及一种新型的高精度卫星太阳光压计算方法。

背景技术

随着卫星对地测量精度要求的不断提高，卫星轨道的计算精度也随之不断提高。高精度的轨道计算除了对测量设备提出严格的要求外，对卫星的精细动力学模型的要求也非常高。

影响卫星运动的外力主要分为保守力和非保守力两种。其中保守力主要有地球中心引力、地球非球形引力、三体引力、潮汐摄动、相对论效应等；非保守力主要包括大气阻力、太阳光压、地球反照辐射、卫星本体热辐射等。根据目前卫星动力学模型的研究水平，对于卫星的高精度轨道计算，由保守力引起的轨道计算误差与非保守力引起的轨道计算误差相比，可以忽略。因此高精度轨道计算的研究重点主要放在非保守力模型领域。

对于轨道高度大于1000km的卫星，大气阻力的影响比太阳光压的影响至少低一个数量级，因此在该范围内运行的卫星，太阳光压对卫星轨道的影响成为轨道计算误差的主要来源。至今为止常用的模型有把卫星考虑成平板模型或是球形模型，也有Toshihiro Kubo-oka等人把SELENE卫星考虑成一个规则的八面体和一个圆柱体的组合。但是，前面提到的这些模型结构简单，形状单一，不能精确的反映出卫星的真实受力情况，成为了研究卫星受力情况的制约因素。伴随着航天科技的发展，海洋探测卫星、大地测量卫星等卫星的应用，对轨道确定精度提出了越来越高的要求，需要我们采用更高精度的摄动模型对卫星受力进行分析，在此背景下我们提出了一种基于高轨光学成像卫星的太阳光压计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于高轨光学成像卫星的太阳光压计算方法，能够更加精准地计算出卫星受到太阳光压，使得卫星动力学参数确定和轨道控制更加精确。

一种基于高轨光学成像卫星的太阳光压计算方法，包括如下步骤：

（1）建立高轨光学成像卫星的太阳光压反射模型，所述太阳光压反射模型包括用于表征卫星本体的立方体和用于表征卫星帆板的方板；方板与立方体的相对位置取决于真实卫星中卫星本体和卫星帆板的相对位置关系；立方体的姿态以及轨道位置参数同真实卫星中卫星本体的姿态和位置；立方体与方板的反射系数分别与真实卫星中卫星本体和帆板的反射系数相同；

（2）利用所建立的太阳光压反射模型，通过求取卫星本体所受太阳光压力和帆板所受太阳光压力的矢量和获得高轨光学成像卫星的太阳光压。

所述步骤（2）具体包括如下步骤：

（2.1）通过求取卫星本体每个表面所受的太阳光压力矢量之和计算卫星本体所受太阳光压力，其中卫星本体第i个表面所受太阳光压力F_Ci的计算方法如下：

d)计算卫星本体第i个表面在轨道坐标系下的法线方向单位矢量n_i,

计算公式为：

其中：

为由卫星本体姿态欧拉角计算所得本体坐标系向轨道坐标系转换的旋转矩阵；

N_i为卫星本体六个面在本体坐标系下的法向方向单位矢量，分别为：

N₁=(1,0,0)

N₂=(0,1,0)

N₃=(0,0,1)

N₄=(-1,0,0)

N₅=(0,-1,0)

N₆=(0,0,-1)

e)计算太阳光相对于卫星本体第i个表面的入射角Θ_i，计算公式为：

Θ_i=arccos(R_s·n_i)；

其中、R_s为太阳在J2000.0坐标系下的位置矢量；

f)计算卫星本体第i个表面所受太阳光压力F_Ci，计算公式为：

F_Ci=-ρA_icosΘ_i[2(δ_c/3+η_ccosΘ_i)n_i+(1-η_c)s_i]

其中：ρ=ρ₀Δ₀ ²/Δ²，Δ=||R_C-R_s||，ρ₀=4.5605×10^-6Pa是地球表面的光压强度，Δ₀是地球表面到太阳的距离，η_c为卫星本体表面对太阳光的镜面反射系数，δ_c为卫星本体表面对太阳光的漫反射系数，s_i为入射光矢量在卫星本体第i个表面的投影单位矢量，A_i为卫星本体第i个表面的表面积；R_C为卫星本体质心在J2000.0坐标系下位置矢量；

（2.2）通过求取每块帆板所受太阳光压力矢量之和计算卫星帆板所受太阳光压力，其中第j块帆板所受太阳光压力的计算方法如下：

d)计算第j块帆板的法线方向单位矢量n_pj,计算公式为：

Ν_pj为卫星的第j块帆板法向方向在卫星本体坐标系下矢量；

e)计算太阳光相对于卫星第j块帆板的入射角Θ_pj，计算公式为：

Θ_pj=arccos(R_s·n_pj)；

f)计算第j块帆板所受太阳光压力F_pj，计算公式为：

F_pj=-ρA_pjcosΘ_pj[2(δ_p/3+η_pcosΘ_pj)n_pj+(1-η_p)s_pj]

其中：η_p为卫星帆板表面对太阳光的镜面反射系数，δ_p为卫星帆板表面对太阳光的漫反射系数，s_pj为入射光矢量在卫星帆板表面的投影单位矢量，A_pj为该第j块帆板的表面积。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的计算方法采用了新的光压反射模型，此光压反射模型把大多数三轴稳定卫星考虑成由立方体加上可绕帆板轴线旋转的平面板组成，那么，作用在卫星上的光压则是作用在每块板上的光压和立方体上的光压之和组成。此光压反射模型能完整的反映出卫星的真实形状，更加真实准确的计算出卫星受到太阳光压，提高了卫星光压计算的精准度。

附图说明

图1是单翼卫星的光压反射模型示意图。

图2是双翼卫星的光压反射模型示意图。

图3是多翼卫星的组合光压反射模型示意图。

图4是利用卫星的光压反射模型计算太阳光压的方法示意图。

具体实施方式

本发明把大多数三轴稳定卫星考虑成由一个立方体加上可绕帆板轴线旋转的平面板组成（见附图1、2），那么，作用在卫星上的光压则是作用在每块板和立方体上的光压之和组成。图1描述了单翼卫星的光压反射模型，图中卫星被简化成一个方盒和一个方板的组合体，方盒和方板的相对位置取决于现实中的卫星的本体与太阳帆板的相对位置。而图2中描述的是双翼卫星的模型，图中卫星为一个方盒和两边各一个的方板的组合体。针对多翼卫星可以通过图1和图2中的单元模型进行相应的组合，如图3所示。方板与立方体的相对位置取决于真实卫星中卫星本体和卫星帆板的相对位置关系。立方体的姿态以及轨道位置参数同真实卫星中卫星本体的姿态和位置。立方体与方板的反射系数分别同真实卫星中卫星本体和帆板的反射系数相同。

相对于一般的平板模型或是球形模型，本发明采用此光压反射模型能完整的反映出卫星的真实形状，更加真实准确的计算出卫星受到太阳光压力及光压力矩，提高了卫星光压计算的精准度。

如图4所示，采用上述光压反射模型进行太阳光压力计算的具体步骤如下：

1）输入卫星本体质心在J2000.0坐标系下位置矢量R_C；输入第j块帆板质心在J2000.0坐标系下的位置矢量R_pj；输入太阳在J2000.0坐标系下位置矢量R_s；

2）输入卫星本体和帆板参数：卫星本体姿态欧拉角

及其转序、卫星的第j块帆板法向方向在卫星本体坐标系下矢量Ν_pj、卫星本体各表面面积A_i、卫星本体质量m_c和卫星各块帆板表面积A_pj、质量m_pj；

3）通过求取卫星本体每个表面所受的太阳光压力矢量之和计算卫星本体所受的太阳光压力，其中卫星本体第i个表面所受太阳光压力F_Ci的计算方法如下：

a)计算卫星本体第i个表面在轨道坐标系下的法线方向单位矢量n_i,计算公式为：

其中：

为由卫星本体姿态欧拉角计算所得本体坐标系向轨道坐标系转换的旋转矩阵，具体计算方法参见参考书目《空间飞行器动力学》p153-p162；

N_i为卫星本体六个面在本体坐标系下的法向方向单位矢量，分别为：

N₁=(1,0,0)

N₂=(0,1,0)

N₃=(0,0,1)

N₄=(-1,0,0)

N₅=(0,-1,0)

N₆=(0,0,-1)

b)计算太阳光相对于卫星本体第i个表面的入射角Θ_i（即太阳光和卫星本体第i个表面法向方向夹角），计算公式为：

Θ_i=arccos(R_s·n_i)；

c)计算卫星本体第i个表面所受太阳光压力F_Ci，计算公式为：

F_Ci=-ρA_icosΘ_i[2(δ_c/3+η_ccosΘ_i)n_i+(1-η_c)s_i]

其中：ρ=ρ₀Δ₀ ²/Δ²，Δ=||R_C-R_s||，ρ₀=4.5605×10^-6Pa是地球表面的光压强度，Δ₀是地球表面到太阳的距离，η_c为卫星本体表面对太阳光的镜面反射系数，δ_c为卫星本体表面对太阳光的漫反射系数，s_i为入射光矢量在卫星本体表面的投影单位矢量，A_i为卫星本体该表面的表面积。

对卫星本体来说，当卫星的任何一个面不在太阳光照射范围内时，光压力取0；在任意时刻，作用在卫星本体上的光压至多只有3个面。

4）通过求取每块帆板所受太阳光压力矢量之和计算卫星帆板所受的太阳光压力：其中第j块帆板所受太阳光压力的计算方法如下：

a)计算卫星第j块帆板的法线方向单位矢量n_pj,计算公式为：

其中：

定义同上；

b)计算太阳光相对于卫星第j块帆板的入射角Θ_pj，计算公式为：

Θ_pj=arccos(R_s·n_pj)；

c)计算卫星第j块帆板所受太阳光压力F_pj，计算公式为：

F_pj=-ρA_pjcosΘ_pj[2(δ_p/3+η_pcosΘ_pj)n_pj+(1-η_p)s_pj]

其中：ρ=ρ₀Δ₀ ²/Δ²，Δ=||R_C-R_s||，ρ₀=4.5605×10-6Pa是地球表面的光压强度，Δ₀是地球表面到太阳的距离，η_p为卫星帆板表面对太阳光的镜面反射系数，δ_p为卫星帆板表面对太阳光的漫反射系数，s_pj为入射光矢量在卫星帆板表面的投影单位矢量，A_pj为该块帆板的表面积。

5）通过求取卫星本体所受光压力和帆板所受光压力的矢量和获得高轨光学成像卫星的太阳光压。

Claims (2)

1.一种基于高轨光学成像卫星的太阳光压计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）建立高轨光学成像卫星的太阳光压反射模型，所述太阳光压反射模型包括用于表征卫星本体的立方体和用于表征卫星帆板的方板；方板与立方体的相对位置取决于真实卫星中卫星本体和卫星帆板的相对位置关系；立方体的姿态以及轨道位置参数同真实卫星中卫星本体的姿态和位置；立方体与方板的反射系数分别与真实卫星中卫星本体和帆板的反射系数相同；

（2）利用所建立的太阳光压反射模型，通过求取卫星本体所受太阳光压力和帆板所受太阳光压力的矢量和获得高轨光学成像卫星的太阳光压。

2.根据权利要求1所述的一种基于高轨光学成像卫星的太阳光压计算方法，其特征在于，所述步骤（2）具体包括如下步骤：

（2.1）通过求取卫星本体每个表面所受的太阳光压力矢量之和计算卫星本体所受太阳光压力，其中卫星本体第i个表面所受太阳光压力F_Ci的计算方法如下：

a)计算卫星本体第i个表面在轨道坐标系下的法线方向单位矢量n_i,计算公式为：

其中：

为由卫星本体姿态欧拉角计算所得本体坐标系向轨道坐标系转换的旋转矩阵；

N_i为卫星本体六个面在本体坐标系下的法向方向单位矢量，分

别为：

N₁=(1,0,0)

N₂=(0,1,0)

N₃=(0,0,1)

N₄=(-1,0,0)

N₅=(0,-1,0)

N₆=(0,0,-1)

b)计算太阳光相对于卫星本体第i个表面的入射角Θ_i，计算公式为：

Θ_i=arccos(R_s·n_i)；

其中、R_s为太阳在J2000.0坐标系下的位置矢量；

c)计算卫星本体第i个表面所受太阳光压力F_Ci，计算公式为：

F_Ci=-ρA_icosΘ_i[2(δ_c/3+η_ccosΘ_i)n_i+(1-η_c)si]

其中：ρ=ρ₀Δ₀ ²/Δ²，Δ=||R_C-R_s||，ρ₀=4.5605×10^-6Pa是地球表面的光压强度，Δ₀是地球表面到太阳的距离，η_c为卫星本体表面对太阳光的镜面反射系数，δ_c为卫星本体表面对太阳光的漫反射系数，s_i为入射光矢量在卫星本体第i个表面的投影单位矢量，A_i为卫星本体第i个表面的表面积；R_C为卫星本体质心在J2000.0坐标系下位置矢量；

（2.2）通过求取每块帆板所受太阳光压力矢量之和计算卫星帆板所受太阳光压力，其中第j块帆板所受太阳光压力的计算方法如下：

a)计算第j块帆板的法线方向单位矢量n_pj,计算公式为：

Ν_pj为卫星的第j块帆板法向方向在卫星本体坐标系下矢量；

b)计算太阳光相对于卫星第j块帆板的入射角Θ_pj，计算公式为：

Θ_pj=arccos(R_s·n_pj)；

c)计算第j块帆板所受太阳光压力F_pj，计算公式为：

F_pj=-ρA_pjcosΘ_pj[2(δ_p/3+η_pcosΘ_pj)n_pj+(1-η_p)s_pj]

其中：η_p为卫星帆板表面对太阳光的镜面反射系数，δ_p为卫星帆板表面对太阳光的漫反射系数，s_pj为入射光矢量在卫星帆板表面的投影单位矢量，A_pj为该第j块帆板的表面积。

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