CN113591265B - 一种计算火星探测器大气阻力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种计算火星探测器大气阻力的方法，属于深空探测专业领域；步骤一、计算火星大气的阻力系数CD；步骤二、通过火星气候数据库MCD_V5.3获得火星大气密度ρ；步骤三、计算卫星探测器相对火星大气的速度vrel；步骤四、计算卫星探测器的迎风面积A；步骤五、计算卫星探测器受到的大气阻力f；本发明能够提高火星探测器在环绕火星飞行时的轨道计算和轨道预报精度，能够计算火星环绕探测器的自然陨落寿命。

Description

一种计算火星探测器大气阻力的方法
技术领域
本发明属于深空探测专业领域，涉及一种计算火星探测器大气阻力的方法。
背景技术
火星上层大气所产生的阻力影响火星探测器轨道，使得环绕火星飞行的探测器轨道半长轴减小，影响卫星寿命。同时，大气阻力是轨道计算过程中的一项重要摄动力，定量描述探测器受到的大气阻力有利于提高火星探测器轨道计算和轨道预报的精度。我国目前的火星探测计划中，由于探测器绕火星近距离飞行(500km高度以下)的时间较短，所以轨道计算和预报中没有考虑火星大气阻力的影响。随着后续对火星的深入探测，必将开展近距离、长时间环绕火星飞行探测任务，届时，火星大气阻力将成为不可忽略的影响因素。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种计算火星探测器大气阻力的方法，能够提高火星探测器在环绕火星飞行时的轨道计算和轨道预报精度，能够计算火星环绕探测器的自然陨落寿命。
本发明解决技术的方案是：
一种计算火星探测器大气阻力的方法，包括如下步骤：
步骤一、计算火星大气的阻力系数CD；
步骤二、通过火星气候数据库MCD_V5.3获得火星大气密度ρ；
步骤三、计算卫星探测器相对火星大气的速度vrel；
步骤四、计算卫星探测器的迎风面积A；
步骤五、计算卫星探测器受到的大气阻力f。
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述步骤一中，火星大气的阻力系数CD的计算方法为：
式中，Tsi为探测器各表面温度；
Ta为大气的温度；
βi为大气的运动方向与探测器各表面的夹角，通过卫星探测器姿态监视系统获得；
μi为入射气体分子的平均质量与卫星探测器散射表面分子质量比。
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述步骤二中，所述火星气候数据库MCD_V5.3是从火星大气循环模型数值模拟获得的气象领域数据库，并使用观测数据完成验证；火星气候数据库MCD_V5.3提供了0～260公里范围内的温度、压强、风场和大气密度，并根据太阳活动的程度设置了平静、中等和活跃三个场景。
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述步骤二中，通过火星气候数据库MCD_V5.3获得火星大气密度ρ的具体方法为：
调用火星气候数据库MCD_V5.3的子程序call_mcd，输入参数为预设纵坐标类型zkey、预设火星地面点纵坐标xz、预设火星地面点经度xlon、预设火星地面点纬度xlat、预设数据分辨率hireskey、预设历元表示方式datekey、预设历元时刻xdate、火星地方时localtime、数据库文件存放路径dset和预设的火星尘暴和太阳EUV辐射的场景scena，输出结果即为火星大气密度ρ。
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述步骤三中，卫星探测器相对火星大气的速度vrel的计算方法包括如下步骤：
S31、建立火星固联坐标系oxyz；其中，原点o为火星质心；选取火星平赤道面作为第一参考平面；x轴指向本初子午线与第一参考平面的焦点；z轴指向火星自转轴；y轴由右手定则确定。
S32、建立火星天球坐标系o1x1y1z1；火星天球坐标系是将地球天球坐标系平移至火星，原点o1为火星质心；第二参考平面为地球历元平赤道；x1轴指向历元平春分点方向；z轴指向地球自转轴；y轴由右手定则确定。
S33、计算火星固联坐标系oxyz到火星天球坐标系o1x1y1z1的各轴的单位旋转矩阵Ri(α)＝[Rx(α)、Ry(α)、Rz(α)]；其中，设定x轴到x1轴的旋转角度、y轴到y1轴的旋转角度、z轴到z1轴的旋转角度均为α。
S34、计算t时刻火星固联坐标系oxyz到火星天球坐标系o1x1y1z1的坐标转换矩阵RT2C。
S35、计算火星天球坐标系下的火星大气速度Ωin、卫星探测器的位置矢量rin、卫星探测器的速度矢量vin；计算卫星探测器相对火星大气的速度vrel。
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述S33中，单位旋转矩阵Ri(α)的计算方法为：
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述S34中，坐标转换矩阵RT2C的计算方法为：
式中，N为指向参数，N＝3.37919183°；
J为指向参数，J＝24.67682669°；
为火星章动；
I为火星轨道倾角；
Φ为火星自转角；
Xp和Yp为火星自转轴的极移。
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述S35中，星大气速度Ωin的计算方法为：
卫星探测器在火星天球坐标系下的位置矢量rin测量获得；
卫星探测器在火星天球坐标系下的速度矢量vin测量获得；
卫星探测器相对火星大气的速度vrel的计算方法为：
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述步骤四中，卫星探测器的迎风面积A的计算方法为：
式中，As为卫星探测器本体迎风面积，在地测量获得；
APN为帆板迎风面积；
AP为帆板总面积；
N为帆板法向量，根据太阳和探测器位置测量获得。
在上述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，所述步骤五中，卫星探测器受到的大气阻力f的计算方法为：
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明创新提出的计算火星探测器大气阻力的方法，适用于火星探测计划中，在探测器绕火星近距离飞行(500km高度以下)的时间较短的前提下，在轨道计算和预报中考虑了火星大气阻力的影响，有效提高火星探测器轨道计算和预报的精度；
(2)本发明计算火星大气的阻力系数CD，并通过火星气候数据库MCD_V5.3获得火星大气密度ρ，并依次计算卫星探测器相对火星大气的速度vrel、卫星探测器的迎风面积A，最终计算得到卫星探测器受到的大气阻力f，将所有相关的参数均考虑在内，计算精确，能够解决火星环绕探测器寿命预报问题。
附图说明
图1为本发明火星探测器大气阻力计算流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
火星上层大气所产生的阻力影响火星探测器轨道，使得环绕火星飞行的探测器轨道半长轴减小，影响卫星寿命。同时，大气阻力是轨道计算过程中的一项重要摄动力，定量描述探测器受到的大气阻力有利于提高火星探测器轨道计算和轨道预报的精度。我国目前的火星探测计划中，由于探测器绕火星近距离飞行(500km高度以下)的时间较短，所以轨道计算和预报中没有考虑火星大气阻力的影响。随着后续对火星的深入探测，必将开展近距离、长时间环绕火星飞行探测任务，届时，火星大气阻力将成为不可忽略的影响因素。
本发明提供一种计算火星探测器大气阻力的方法，能够有效提高火星探测器轨道计算和预报的精度，能够解决火星环绕探测器寿命预报问题。本方法操作方便，准确性高，可用于实时和准实时轨道计算。
火星探测器大气阻力的计算流程如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤一、计算火星大气的阻力系数CD；大气阻力系数CD是表征卫星表面与碰撞上来的粒子之间动量交换的参数，它的确定基于两项假设，一是大气自由分子流假设。火星大气稀薄，对于特征长度在10米以内的探测器，100km以上区域均可视为自由分子流；二是大气粒子的散射假设。试验表明，粒子反射性质与物体表面的温度有关，如果物体表面温度接近室温为散射，而如果温度达到1600K的高温时，则几乎是镜面反射。火星大气温度在120～220K范围内，所以大气粒子的散射假设是成立的。因此火星大气的阻力系数CD的计算方法为：
式中，Tsi为探测器各表面温度；
Ta为大气的温度；
βi为大气的运动方向与探测器各表面的夹角，通过卫星探测器姿态监视系统获得；
μi为入射气体分子的平均质量与卫星探测器散射表面分子质量比。
步骤二、根据探测器所处的位置，综合考虑太阳活动，火星季节，火星地方时和火星尘暴情况，通过火星气候数据库MCD_V5.3获得火星大气密度ρ；火星气候数据库MCD_V5.3是从火星大气循环模型数值模拟获得的气象领域数据库，并使用观测数据完成验证；火星气候数据库MCD_V5.3提供了0～260公里范围内的温度、压强、风场和大气密度，并根据太阳活动的程度设置了平静、中等和活跃三个场景。
通过火星气候数据库MCD_V5.3获得火星大气密度ρ的具体方法为：
调用火星气候数据库MCD_V5.3的子程序call_mcd，输入参数为预设纵坐标类型zkey、预设火星地面点纵坐标xz、预设火星地面点经度xlon、预设火星地面点纬度xlat、预设数据分辨率hireskey、预设历元表示方式datekey、预设历元时刻xdate、火星地方时localtime、数据库文件存放路径dset和预设的火星尘暴和太阳EUV辐射的场景scena，输出结果即为火星大气密度ρ。
步骤三、计算卫星探测器相对火星大气的速度vrel；具体为：
S31、建立火星固联坐标系oxyz；其中，原点o为火星质心；选取火星平赤道面作为第一参考平面；x轴指向本初子午线与第一参考平面的焦点；z轴指向火星自转轴；y轴由右手定则确定。
S32、建立火星天球坐标系o1x1y1z1；火星天球坐标系是将地球天球坐标系平移至火星，原点o1为火星质心；第二参考平面为地球历元平赤道；x1轴指向历元平春分点方向；z轴指向地球自转轴；y轴由右手定则确定。
S33、计算火星固联坐标系oxyz到火星天球坐标系o1x1y1z1的各轴的单位旋转矩阵Ri(α)＝[Rx(α)、Ry(α)、Rz(α)]；其中，设定x轴到x1轴的旋转角度、y轴到y1轴的旋转角度、z轴到z1轴的旋转角度均为α；旋转矩阵Ri(α)的计算方法为：
S34、火星自转周期为T＝24小时37分22.6秒，由此可计算火星固联坐标系下火星大气的自转角速度为由于探测器的速度一般在火星天球系中描述，还需要将Ω转换到天球系，计算t时刻火星固联坐标系oxyz到火星天球坐标系o1x1y1z1的坐标转换矩阵RT2C；坐标转换矩阵RT2C的计算方法为：
式中，N为指向参数，N＝3.37919183°；
J为指向参数，J＝24.67682669°；
为火星章动；计算公式为/>
I为火星轨道倾角；
ψ0和I0为J2000.0历元时刻的常量，为火星章动变率，/>为火星轨道倾角的长期变化率，在表1中给出；ψnut和Inut分别为经度和倾角章动修正，由下式计算：
式中，αm和θm的计算方法为：
其中，n′表示火星的平均公转角速度，l′0为J2000.0火星平近点角，取值为19.3871°，l′为火星平近点角,q＝2ω，ω为近星点幅角，q也可表示为q＝142°.0+1°.3t，t表示J2000.0起算的儒略世纪数，表1～2给出了相关系数。
表1
表2
m Im0 ψm0
0 –1.4 0
1 –0.4 –632.6
2 0 –44.2
3 0 –4.0
4 –49.1 –104.5
5 515.7 1 097.0
6 112.8 240.1
7 19.2 60.9
8 3.0 6.5
9 0.4 1.0
Φ为火星自转角；
Xp和Yp为火星自转轴的极移；
S35、计算火星天球坐标系下的火星大气速度Ωin、卫星探测器的位置矢量rin、卫星探测器的速度矢量vin；计算卫星探测器相对火星大气的速度vrel。星大气速度Ωin的计算方法为：
卫星探测器在火星天球坐标系下的位置矢量rin测量获得；
卫星探测器在火星天球坐标系下的速度矢量vin测量获得；
卫星探测器相对火星大气的速度vrel的计算方法为：
步骤四、计算卫星探测器的迎风面积A；卫星探测器的迎风面积A的计算方法为：
式中，As为卫星探测器本体迎风面积，在地测量获得；
APN为帆板迎风面积；
AP为帆板总面积；
N为帆板法向量，根据太阳和探测器位置测量获得。
步骤五、计算卫星探测器受到的大气阻力f：
根据本发明设计的火星探测器大气阻力的方法，能够有效提高火星探测器轨道计算和预报的精度，能够解决火星环绕探测器寿命预报问题。本方法操作方便，准确性高，可用于实时和准实时轨道计算。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种计算火星探测器大气阻力的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、计算火星大气的阻力系数CD；
所述步骤一中，火星大气的阻力系数CD的计算方法为：
式中，Tsi为探测器各表面温度；
Ta为大气的温度；
βi为大气的运动方向与探测器各表面的夹角，通过卫星探测器姿态监视系统获得；
μi为入射气体分子的平均质量与卫星探测器散射表面分子质量比；
步骤二、通过火星气候数据库MCD_V5.3获得火星大气密度ρ；
所述步骤二中，所述火星气候数据库MCD_V5.3是从火星大气循环模型数值模拟获得的气象领域数据库，并使用观测数据完成验证；火星气候数据库MCD_V5.3提供了0～260公里范围内的温度、压强、风场和大气密度，并根据太阳活动的程度设置了平静、中等和活跃三个场景；
所述步骤二中，通过火星气候数据库MCD_V5.3获得火星大气密度ρ的具体方法为：
调用火星气候数据库MCD_V5.3的子程序call_mcd，输入参数为预设纵坐标类型zkey、预设火星地面点纵坐标xz、预设火星地面点经度xlon、预设火星地面点纬度xlat、预设数据分辨率hireskey、预设历元表示方式datekey、预设历元时刻xdate、火星地方时localtime、数据库文件存放路径dset和预设的火星尘暴和太阳EUV辐射的场景scena，输出结果即为火星大气密度ρ；
步骤三、计算卫星探测器相对火星大气的速度vrel；
所述步骤三中，卫星探测器相对火星大气的速度vrel的计算方法包括如下步骤：
S31、建立火星固联坐标系oxyz；其中，原点o为火星质心；选取火星平赤道面作为第一参考平面；x轴指向本初子午线与第一参考平面的焦点；z轴指向火星自转轴；y轴由右手定则确定；
S32、建立火星天球坐标系o1x1y1z1；其中，原点o1为火星质心；x1轴指向历元平春分点方向；z轴指向地球自转轴；y轴由右手定则确定；
S33、计算火星固联坐标系oxyz到火星天球坐标系o1x1y1z1的各轴的单位旋转矩阵Ri(α)＝[Rx(α)、Ry(α)、Rz(α)]；其中，设定x轴到x1轴的旋转角度、y轴到y1轴的旋转角度、z轴到z1轴的旋转角度均为α；
S34、计算t时刻火星固联坐标系oxyz到火星天球坐标系o1x1y1z1的坐标转换矩阵RT2C；
S35、计算火星天球坐标系下的火星大气速度Ωin、卫星探测器的位置矢量rin、卫星探测器的速度矢量vin；计算卫星探测器相对火星大气的速度vrel；
步骤四、计算卫星探测器的迎风面积A；
步骤五、计算卫星探测器受到的大气阻力f。
2.根据权利要求1所述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，其特征在于：所述S33中，单位旋转矩阵Ri(α)的计算方法为：
3.根据权利要求2所述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，其特征在于：所述S34中，坐标转换矩阵RT2C的计算方法为：
式中，N为指向参数，N＝3.37919183°；
J为指向参数，J＝24.67682669°；
为火星章动；
I为火星轨道倾角；
Φ为火星自转角；
Xp和Yp为火星自转轴的极移。
4.根据权利要求3所述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，其特征在于：所述S35中，星大气速度Ωin的计算方法为：
卫星探测器在火星天球坐标系下的位置矢量rin测量获得；
卫星探测器在火星天球坐标系下的速度矢量vin测量获得；
卫星探测器相对火星大气的速度vrel的计算方法为：
5.根据权利要求4所述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，其特征在于：所述步骤四中，卫星探测器的迎风面积A的计算方法为：
式中，As为卫星探测器本体迎风面积，在地测量获得；
APN为帆板迎风面积；
AP为帆板总面积；
N为帆板法向量，根据太阳和探测器位置测量获得。
6.根据权利要求5所述的一种计算火星探测器大气阻力的方法，其特征在于：所述步骤五中，卫星探测器受到的大气阻力f的计算方法为：
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