CN108820251B - 一种用于地磁尾探测的太阳帆飞行器星座系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于地磁尾探测的太阳帆飞行器星座系统，包括多颗太阳帆飞行器，多颗太阳帆飞行器分布于对应的多个轨道上形成多星组网的多点联合立体探测空间，且各个太阳帆飞行器均利用太阳光压力进行轨道升交点赤经的摄动，使太阳帆飞行器形成与地磁尾转动速度相同的非开普勒轨道。由于通过多颗太阳帆飞行器在多个轨道上形成多星组网，及利用太阳光压力进行轨道升交点赤经的摄动，使太阳帆飞行器形成与地磁尾转动速度相同的非开普勒轨道，从而可以一直保持其供线位于地磁尾区域，各个太阳帆飞行器每圈均飞越地磁尾区域，大大延长地磁尾联合探测的有效观测时间，获得比常规卫星4倍以上的地磁尾区域有效探测时间，从而大大增加了捕获磁层亚暴事件的概率。

Description

一种用于地磁尾探测的太阳帆飞行器星座系统
技术领域
本发明涉及地球磁层物理科学探测技术领域，具体涉及一种用于地磁尾探测的太阳帆飞行器星座系统。
背景技术
空间天气是影响航天器在轨工作的重要因素，因此需要更深入的认识磁层物理科学，从而可以大幅度提高空间天气预报的准确度，及时采取规避措施，防止空间卫星受空间天气影响而失效，但是，目前，常规使用单颗卫星对地磁尾进行探测，单颗卫星探测时间较短，从而导致单颗卫星地磁尾探测时捕获的磁层亚暴事件概率少。
发明内容
本申请提供一种用于地磁尾探测的太阳帆飞行器星座系统，包括多颗太阳帆飞行器，多颗太阳帆飞行器分布于对应的多个轨道上形成多星组网的多点联合立体探测空间，且各个太阳帆飞行器均利用太阳光压力进行轨道升交点赤经的摄动，使太阳帆飞行器形成与地磁尾转动速度相同的非开普勒轨道。
一种实施例中，包括八颗太阳帆飞行器，八颗太阳帆飞行器分布于对应的六个轨道上。
一种实施例中，六个轨道分别是：在J2000地心惯性系下，轨道1为长半轴为20Re的圆轨道，轨道2为远地点30Re，近地点10Re的椭圆轨道，轨道3为远地点25Re，近地点15Re的椭圆轨道，轨道4为近地点10Re，远地点30Re的椭圆轨道，轨道5为长半轴为20Re的圆轨道，轨道6为长半轴为20Re的圆轨道，其中，Re为地球半径；
八颗太阳帆飞行器在六个轨道上的分布位置是：
在轨道1上分布太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2，且，太阳帆飞行器Y1和太阳帆飞行器Y2分别与太阳帆飞行器T相位差30度；
在轨道2倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X1；
在轨道3倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X2；
在轨道4倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X3；
在轨道5倾角12.5度的位置上分布太阳帆飞行器Z1；
在轨道6倾角7.5度的位置上分布太阳帆飞行器Z2。
一种实施例中，多颗太阳帆飞行器分布于对应的多个轨道上形成多星组网的立体空间网络，具体为：
太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2于轨道1中，其中太阳帆飞行器T星位于中间，太阳帆飞行器Y1星和太阳帆飞行器Y2星按0.5°相位差分布在太阳帆飞行器T前后，形成3星编队，所述太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2在Y方向上进行三点联合探测；
轨道5、轨道1、轨道6的升交点赤经相同，轨道5与轨道6均与轨道1形成0.5°倾角差，太阳帆飞行器Z1、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Z2在每个轨道周期同时运行到拱线上，形成3星编队，所述太阳帆飞行器Z1、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Z2在Z方向上进行三点联合探测；
轨道2、轨道3和轨道4的供线重合，太阳帆飞行器X1、太阳帆飞行器X2、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器X3在每个轨道周期同时运行到拱线上，并形成直线排列，形成4星编队，所述太阳帆飞行器X1、太阳帆飞行器X2、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器X3在X方向上进行四点联合探测。
一种实施例中，阳帆飞行器质量为100kg，尺寸为47m×47m。
一种实施例中，太阳帆飞行器包括：太阳帆系统、控制系统、综合电子、科学探测载荷。
一种实施例中，科学探测载荷包括三轴磁强计和等离子体探测计。
依据上述实施例的太阳帆飞行器星座系统，由于通过多颗太阳帆飞行器在多个轨道上形成多星组网的立体空间网络，及利用太阳光压力进行轨道升交点赤经的摄动，使太阳帆飞行器形成与地磁尾转动速度相同的非开普勒轨道，从而可以一直保持其供线位于地磁尾区域，各个太阳帆飞行器每圈均飞越地磁尾区域，大大延长地磁尾联合探测的有效观测时间，获得比常规卫星4倍以上的地磁尾区域有效探测时间，从而大大增加了捕获磁层亚暴事件的概率。
附图说明
图1为太阳帆飞行器星座系统结构示意图；
图2为太阳帆飞行器跟随地磁尾转动示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本例提供一种用于地磁尾探测的太阳帆飞行器星座系统，包括多颗太阳帆飞行器，多颗太阳帆飞行器分布于对应的多个轨道上形成多星组网的立体空间网络，且各个太阳帆飞行器均利用太阳光压力进行轨道升交点赤经的摄动，使太阳帆飞行器形成与地磁尾转动速度相同的非开普勒轨道。
具体的，本例的太阳帆飞行器星座系统包括八颗太阳帆飞行器，该八颗太阳帆飞行器分布于对应的六个轨道上形成多星组网的立体空间网络，其结构示意图如图1所示。
其中，在J2000地心惯性系下，六个轨道的定义分别是：轨道1为长半轴为20Re的圆轨道，轨道2为远地点30Re，近地点10Re的椭圆轨道，轨道3为远地点25Re，近地点15Re的椭圆轨道，轨道4为近地点10Re，远地点30Re的椭圆轨道，轨道5为长半轴为20Re的圆轨道，轨道6为长半轴为20Re的圆轨道，其中，Re为地球半径。
八颗太阳帆飞行器T、X1、X2、X3、Y1、Y2、Z1、Z2在六个轨道上的分布位置分别是：在轨道1上分布太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2，且，太阳帆飞行器Y1和太阳帆飞行器Y2分别与太阳帆飞行器T相位差30度；在轨道2倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X1；在轨道3倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X2；在轨道4倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X3；在轨道5倾角12.5度的位置上分布太阳帆飞行器Z1；在轨道6倾角7.5度的位置上分布太阳帆飞行器Z2。
具体的，太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2于轨道1时，其中，太阳帆飞行器T星位于中间，太阳帆飞行器Y1星和太阳帆飞行器Y2星按0.5°相位差分布在太阳帆飞行器T前后，形成3星编队，使得，工作于轨道1上的太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2在大尺度上进行Y方向上的三点联合探测。轨道5、轨道1、轨道6的升交点赤经相同，轨道5与轨道6均与轨道1形成0.5°倾角差，太阳帆飞行器Z1、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Z2在每个轨道周期同时运行到拱线上，形成3星编队，使得，工作于轨道5的太阳帆飞行器Z1、轨道1的太阳帆飞行器T、轨道6的太阳帆飞行器Z2在大尺度上进行Z方向上三点联合探测。轨道2、轨道3和轨道4的供线重合，太阳帆飞行器X1、太阳帆飞行器X2、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器X3在每个轨道周期同时运行到拱线上，并形成直线排列，形成4星编队，使得，工于作轨道2的太阳帆飞行器X1、轨道3的太阳帆飞行器X2、轨道1的太阳帆飞行器T、轨道4的太阳帆飞行器X3在大尺度上进行X方向上四点联合探测。
八颗太阳帆飞行器中以太阳飞行器T为中心，在每个轨道周期同时运行到拱线上，同时形成X1、X2、T、X3的沿拱线方向的四星编队，形成Z1、T、Z2近似垂直于轨道面方向的三星编队，形成Y1、T、Y2在轨道面内近似垂直于拱线的三星编队，从而能够同时在3个方向上组成八点联合立体空间探测。
太阳帆飞行器跟随地磁尾运动原理图如图2所示，其中，粗实线为太阳帆飞行器轨道，虚线为无太阳帆飞行器轨道，每个太阳帆飞行器均利用太阳光压力，使轨道升交点赤经一年匀速变化360度，与地磁尾的转动角速度相同，从而只要初始时，轨道拱线穿越地磁尾，就能够保证轨道拱线始终穿越地磁尾，从而每一轨道周期，太阳帆飞行器都能穿越地磁尾探测区域进行磁层亚暴探测，大大增加了对地磁尾区域的探测时间，从而大大增加了捕获磁层亚暴事件的概率。
进一步，本例中的各个太阳帆飞行器质量为100kg，尺寸为47m×47m，每个太阳帆飞行器包括太阳帆系统、控制系统、综合电子、科学探测载荷，其中，太阳帆系统包括姿态控制杆、帆面、展开控制机构、支撑杆、中心结构等；综合电子采用一体化设计，包括主控计算机、测控通信、供配电等；控制系统包括姿态敏感器、自主导航敏感器、冷气发动机等，在太阳帆展开前用推力器控制姿态，在太阳帆展开后用光压压心相对于质心偏移来进行姿态控制；科学探测载荷包括磁强计、等离子体探测计。
本例采用高集成化的太阳帆飞行器实现多星组网，利用其非开普勒轨道特性，能够保持长期飞越地磁尾区域进行探测，采用八颗太阳帆飞行器组成立体空间网络，对磁层亚暴事件进行大尺度三维多点联合探测，利用携带的空间磁场探测载荷、空间等离子体探测载荷同时开展地磁尾探测，全面获取磁层亚暴信息，为地磁尾探测创造了极佳的探测条件。因此，本发明能够完全满足地磁尾探测的应用要求，满足地磁尾区域的空间磁场、等离子体等探测载荷的安装和使用要求，具有光压推进、集成设计、多星组网、异轨分布等技术特点。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (5)

1.一种用于地磁尾探测的太阳帆飞行器星座系统，其特征在于，包括八颗太阳帆飞行器，所述八颗太阳帆飞行器分布于对应的六个轨道上形成多星组网的多点联合立体探测空间，且各个太阳帆飞行器均利用太阳光压力进行轨道升交点赤经的摄动，使太阳帆飞行器形成与地磁尾转动速度相同的非开普勒轨道；
所述六个轨道分别是：在J2000地心惯性系下，轨道1为长半轴为20Re的圆轨道，轨道2为远地点30Re，近地点10Re的椭圆轨道，轨道3为远地点25Re，近地点15Re的椭圆轨道，轨道4为近地点10Re，远地点30Re的椭圆轨道，轨道5为长半轴为20Re的圆轨道，轨道6为长半轴为20Re的圆轨道，其中，Re为地球半径；
所述八颗太阳帆飞行器在所述六个轨道上的分布位置是：
在轨道1上分布太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2，且，所述太阳帆飞行器Y1和太阳帆飞行器Y2分别与所述太阳帆飞行器T相位差30度；
在轨道2倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X1；
在轨道3倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X2；
在轨道4倾角10度的位置上分布太阳帆飞行器X3；
在轨道5倾角12.5度的位置上分布太阳帆飞行器Z1；
在轨道6倾角7.5度的位置上分布太阳帆飞行器Z2。
2.如权利要求1所述的太阳帆飞行器星座系统，其特征在于，所述八颗太阳帆飞行器分布于对应的六个轨道上形成多星组网的立体空间网络，具体为：
所述太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2于轨道1中，其中太阳帆飞行器T星位于中间，太阳帆飞行器Y1星和太阳帆飞行器Y2星按0.5°相位差分布在太阳帆飞行器T前后，形成三星编队，所述太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Y1、太阳帆飞行器Y2在Y方向上进行三点联合探测；
所述轨道5、轨道1、轨道6的升交点赤经相同，轨道5与轨道6均与轨道1形成0.5°倾角差，太阳帆飞行器Z1、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Z2在每个轨道周期同时运行到拱线上，形成三星编队，所述太阳帆飞行器Z1、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器Z2在Z方向上进行三点联合探测；
所述轨道2、轨道3和轨道4的供线重合，太阳帆飞行器X1、太阳帆飞行器X2、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器X3在每个轨道周期同时运行到拱线上，并形成直线排列，形成四星编队，所述太阳帆飞行器X1、太阳帆飞行器X2、太阳帆飞行器T、太阳帆飞行器X3在X方向上进行四点联合探测。
3.如权利要求1所述的太阳帆飞行器星座系统，其特征在于，所述太阳帆飞行器质量为100kg，尺寸为47m×47m。
4.如权利要求1所述的太阳帆飞行器星座系统，其特征在于，所述太阳帆飞行器包括：太阳帆系统、控制系统、综合电子、科学探测载荷。
5.如权利要求4所述的太阳帆飞行器星座系统，其特征在于，所述科学探测载荷包括三轴磁强计和等离子体探测计。
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