复杂航天器的太阳光压建模方法

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1、2014年6月第3期中国空间科学技术Ch——ine—s．eSpaceScienceandTechnology复杂航天器的太阳光压建模方法黄岸毅1’2张少禹2李恒年1(1宇航动力学国家重点实验室，西安710043)(2西安卫星测控中心，西安710043)摘要针对几何形状比较复杂的航天器光压建模时存在的不同光照特性的材料相互遮挡重叠、传统的简化或经验公式难以满足精度要求的困难，基于精确三维几何模型，利用虚拟视觉原理得到航天器垂直于太阳矢量截面形状，并结合截面各类材料光压系数等特性计算总的等效光压面积和系数。针对该方法计算量较大问题，提出一种根据设定姿态模式事先计算结合

2、实时插值的快速简化算法。考虑到材料特性在空间环境中可能发生的变化，可将其调整为半经验公式，通过观测数据对材料光压系数进行最优估计并应用。仿真实例表明，提出的分析方法可有效反映航天器各部分的相互遮挡，与传统模型相比有一定优势。关键词太阳光压模型；三维几何模型；遮挡分析；半经验公式；航天器DOI：10．3780／}．issn．1000—758X．2014．03．0031引言卫星导航定位、对地观测的基础是高精度的轨道计算，需要建立高精度的轨道动力学模型。经过多年总结，文献中对地球形状摄动、日月引力摄动等已有较精确的描述口]，而太阳光压摄动一般要比其他摄动低一个数量级，且

3、涉及的物理模型较复杂，因此在工程应用中设置了较多的简化。随着轨道确定技术的发展，对光压模型的精度要求越来越高，利用光压摄动进行轨道和姿态调整的研究也在展开12j。因此在设计光压模型和改进精度方面的研究将是非常重要和有价值的。最简单的光压模型是将整个卫星设为一个对太阳光的平面一引。由于卫星各部分太阳光压特性不同，文献[4]提出了较高精度的Box—Wing模型并得到广泛应用，在此基础上，文献[5—6]针对其特定几何形状的卫星，提出应用类似思想的专用模型。利用有限元思想，文献[7]将太阳辐射和卫星表面离散化，跟踪每一束太阳光的入射及发射，并以此统计其产生光压力的总和，可

4、以较准确地反映太阳光在复杂卫星表面多次反射效应，缺点是判断太阳光所影响卫星表面的算法较复杂。上述光压模型均为根据几何、光照参数计算所得，属于物理模型，主要参数需要在地面测试中得出。Fliegel等人提出了应用于GPS卫星的经验模型[8]，其主要思想为将光压摄动加速度设定为一组含待定参数的经验公式，通过长时间的观测数据进行拟合，以残差最小为目标得出待定参数，即可应用至后续的观测中。此类模型精度较高，在精密定轨中的应用也越来越多，但缺点为可能会将其他摄动项的误差也作为光压估计进去，不利于对其他摄动项进行更高精度的建模和分析。结合两类模型的优点，文献[9]提出了傅里叶级

5、数型半经验光压模型，通过物理性质和数学推导建立傅里叶级数公式，其系数既可由地面测试给出，也可通过在轨观测数据拟合进行修正。此类模型是今后光压模型研究的发展方向，本文也采用了类似的思想。计算机三维建模在航天器结构分析等方面已广泛应用。本文试图以虚拟视觉为基础，直接利用准确的三维几何模型，通过给定不同表面光压特性参数，得到一个仅与航天器本体坐标系下太阳矢量入射方向相关的光压模型，同时讨论了将其演变为半经验模型的可行性。收稿日期：2013-08—30。收修改稿日期：2013-10—21中国空间科学技术2014年6月2问题描述一般航天器由固连的本体加上可旋转的太阳翼组成(

6、太阳翼的转角通常使其法线保持指向与太阳方向夹角最lb)。分析其在某历元时刻受到的光压力，首先应得到太阳入射矢量。设，．⋯，rsa；分别为J2000坐标系下太阳和航天器相对地球的位置，则J2000坐标系下的太阳矢量为s=r。。。一r。。t由于太阳翼的转角、航天器内部相互遮挡的分析在本体坐标系下更为方便，故将其转到航天器本体坐标系，即本体系下的太阳矢量为s⋯一A·M·S式中M为惯性系到标称姿态坐标系的转移矩阵；A为航天器的姿态转移矩阵(各类坐标系及转移矩阵详细定义见文献[1])。显然lIs。。。

7、l为航天器与太阳的距离大小，与光压力大小是平方反比的关系，这里为了分析其

8、方向对光压变化的影响，将S。单位归一化SⅢ¨。一S。。。／11S。11并用两个角度0，妒表示(类似于经纬度)，即S。。it一(cos0cos妒，cos0sin9，sin0)则需要建立的太阳光压模型为0，妒的函数。3基于三维几何模型的光压模型3．1给定S。。计算E，。的方法(1)算法原理将航天器本体和太阳翼的三维模型表面划分为三角形网格的近似，表面曲率变化越大需要的三角形数量越多。以圆柱体为例，划分结果如图1所示。利用计算机视觉，将视线设为_s。柚的反方向，即将整个模型的三角形单元沿着S。。i。的反方向进行平行投影如图2所示，定义一块画布与S训，垂直，大小满足整个航

9、天器的投影