一种航天器日心非开普勒悬浮轨道拼接方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106200376A(43)申请公布日2016.12.07(21)申请号201610496749.9(22)申请日2016.06.28(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市碑林区友谊西路127号(72)发明人陈建林袁建平马川王菲葛菊祥(74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人王萌(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图4页(54)发明名称一种航天器日心非开普勒悬浮轨道拼接方法(57)摘要本发明针对姿态角和反射率可控的太阳帆航天器，公开了一种太阳帆航天器日心非开普勒悬浮轨道的拼接方法，该方法通过分析太阳帆圆悬浮轨道和椭圆悬浮轨道的动力学模型和相应的平衡点条件，解算在日心惯性系下非开普勒悬浮轨道拼接点处的位置、速度矢量，建立了拼接条件，来解决椭圆悬浮轨道之间的拼接问题，进而解算太阳帆的姿态参数和反射率参数，该发明可应用于解决太阳帆航天器在不同日心椭圆悬浮轨道之间的拼接问题。CN106200376ACN106200376A权利要求书1/3页1.一种航天器日心非开普勒悬浮轨道拼接方法，将两条日心非开普勒悬浮轨道进行拼接，其特征在于，包括以下步骤：(1)初步选取第一条日心非开普勒悬浮轨道和第二条日心非开普勒悬浮轨道的拼接点；(2)在日心惯性坐标系下，计算惯性系下第一条日心非开普勒悬浮轨道在拼接点处的速度和位置矢量；(3)以第一条日心非开普勒悬浮轨道在拼接点的速度和位置矢量作为第二条日心非开普勒悬浮轨道的初始条件，根据任务要求，选取第二条日心非开普勒悬浮轨道的角速度或周期；(4)根据步骤(3)计算的第二条日心非开普勒悬浮轨道的角速度或周期，结合拼接点的速度和位置矢量，设计第二条日心非开普勒悬浮轨道的参数，计算相应的实现该轨道所需要的太阳帆姿态和反射率；(5)判断实现步骤(4)中第二条日心非开普勒悬浮轨道所需要的太阳帆姿态和反射率参数是否具有物理意义，如果有，拼接成功，否则，重新选取第二条日心非开普勒悬浮轨道，重复步骤(1)至步骤(5)。2.根据权利要求1所述的一种航天器日心非开普勒悬浮轨道拼接方法，其特征在于，所述拼接点满足以下边界条件：(A)拼接点前一时刻和后一时刻的太阳帆速度保持不变；(B)拼接点前一时刻和后一时刻的太阳帆位置保持不变；(C)太阳帆的轻系数在整个过程中不发生改变。3.根据权利要求1所述的一种航天器日心非开普勒悬浮轨道拼接方法，其特征在于，当日心非开普勒悬浮轨道为圆悬浮轨道时，其位置[Ric]I和速度矢量[vic]I分别为：其中，I表示日心惯性系，下标c表示日心圆悬浮轨道，ρ为旋转坐标系下悬浮轨道的悬浮半径，z为旋转坐标系下悬浮轨道的悬浮高度，θ为真近点角；当日心非开普勒悬浮轨道为椭圆悬浮轨道时，其位置和速度矢量分别为：T[Rie]I＝M(xS0zS+L)；其中，S′＝dS/dθ，下标e表示日心椭圆悬浮轨道，x为椭圆悬浮轨道在非一致旋转坐标系下的x轴坐标分量，z为椭圆悬浮轨道在非一致旋转坐标系下的z轴坐标分量，L为椭圆悬浮轨道常值的悬浮高度。4.根据权利要求1所述的一种航天器日心非开普勒悬浮轨道拼接方法，其特征在于，步2CN106200376A权利要求书2/3页骤(3)中，第二条日心非开普勒悬浮轨道参数的设计方法为：如果第二非开普勒悬浮轨道为圆悬浮轨道，在日心旋转坐标系下，设悬浮半径为ρc，悬浮高度为zc，轨道角速度为ωc，太阳帆相应的倾斜角(姿态角)为α，太阳帆的轻系数为β，则采用以下公式计算太阳帆的倾斜角(姿态角)和轻系数：上式中，其中，u为太阳帆反射率；如果第二条日心非开普勒悬浮轨道为椭圆悬浮轨道，则设计方法为：在旋转坐标系下，太阳帆的动力学模型为：其中,Rr为太阳帆航天器在旋转坐标系的位置矢量，ω为太阳帆日心椭圆悬浮轨道的瞬时角速度矢量，aSRP为作用在航天器上的太阳光压力；aΦ是作用在太阳帆航天器上的日心引力；以太阳—被观测天体之间变化的距离S(θ)为单位长度，将上述太阳帆的动力学模型简化为以θ为自变量的微分方程：其中，上述中，X、Y、Z分别表示太阳帆航天器在旋转坐标系的三个位置分量，L表示旋转坐标系的原点Or到太阳质心的距离，Ri代表太阳帆航天器在日心惯性坐标系下的位置矢量，S代表日心到被观测天体之间的距离，e代表椭圆悬浮轨道的偏心率，f代表太阳帆航天器的近地点幅角，aSRP,i(i＝x,y,z)代表作用在航天器上的太阳光压力沿非一致旋转坐标系三个轴的分量，β代表太阳帆航天器的轻系数，ns代表太阳光方向单位矢量，n代表太阳帆的法向单位矢量，u代表太阳帆航天器的反射率；3CN106200376A权利要求书3/3页假设x′＝x″＝z′＝z″＝0,y＝y′