[发明专利]一种高面质比航天器轨道动力学分析方法

说明书

本发明提供了一种高面质比航天器轨道动力学分析方法，属于航天器轨道动力学领域；分别对太阳光压、大气阻力、地球阴影等摄动力分别进行了建模，然后基于哈密尔顿原理建立了整个系统的动力学模型。本发明分别分析了太阳光压和大气阻力对高面质比航天器影响，同时还分析得到了在这些摄动力共同作用下的平衡轨道。本发明不需要对轨道要素进行平均处理，因此精度较高并且易于理解。本发明不仅能够用于绕地高面质比航天器的轨道分析，还能用于绕其他行星的高面质比航天器分析，因此应用范围广泛。

技术领域

本发明涉及一种航天器轨道动力学分析方法，属于航天器轨道动力学领域。

背景技术

1957年10月4日，苏联成功地发射了第一颗人造卫星，开创了空间时代，随着人类空间领域的不断发展，大量面向不同任务要求的航天器被送入太空。然而在人类进入空间的初期，只是利用了近地的环地球轨道，完成较单一的使命。近几十年来，随着航天技术的迅速发展和人类社会的不断进步，产生了各种各样的航天应用和研究领域，同时也产生了各种各样的航天器，高面质比航天器就是其中的一种，如太阳帆、充气卫星以及目前正在研发的芯片卫星等都属于高面质比航天器。

近些年来将太阳帆用于深空探测等任务的研究被广泛进行，相对于传统的航天器利用化学燃料产生推力，太阳帆是利用太阳光子撞击帆面后发生动量交换的原理产生太阳光压力推动其做各种轨道机动运行。因此，太阳帆可以源源不断的获得推力而不受化学燃料的限制，同时由于太阳帆不需要携带大量的燃料，这样就可以减小发射质量，极大的降低发射成本。除了被广泛的用于深空探测的研究，太阳帆也在不断的被应用于地球轨道任务的研究，例如将太阳帆用于地球磁场尾迹探测的任务。由于太阳帆显著的高面质比特性，因此可以利用太阳光压力实现轨道拱线的太阳同步进动，这样就可以被动的长时间处于地球磁场尾迹中，进行长时间的观察，这些都说明研究高面质比飞行器有着极其重要的意义。

为了更加准确的理解这些航天器的在轨运行状态，需要对其轨道动力学重新进行分析研究。与传统意义上的航天器不同，由于其显著高的面质比特性会使得太阳光压力和大气阻力等摄动力对其轨道产生极其重要的影响，因此就需要重新认识该类航天器的轨道。由于太阳光压力和大气阻力都是与面质比成比例的，因此在该类航天器的动力学建模过程中必须考虑太阳光压力和大气阻力的作用效果。传统的航天器都是以开普勒轨道为基础，并利用控制系统装置消除这些摄动力对轨道的影响。然而在高面质比航天器轨道设计中并不是主动的抵消太阳光压力和大气阻力等摄动力对轨道的影响，而是主动利用这些摄动力获得新的任务轨道。另一方面，传统的轨道动力学分析都是以高斯摄动方程为基础，然而对于高面质比航天器，由于太阳光压力和大气阻力的复杂性，会使得高斯摄动方程只能用于特殊情况下的轨道分析。当前对于高面质比航天器的轨道动力学分析方法主要是基于高斯摄动方程的分析方法，该方法形式简单、意义明确，但是通常需要借助轨道平均技术对其进行求解，这会使得计算精度降低同时随着摄动力的增多对于该方程的求解会变得十分的困难。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于哈密尔顿原理的高面质比航天器动力学分析方法，能够提高计算精度和计算效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)计算地球惯性坐标系下地球的引力势能其中，φ代表地心纬度，P_n代表第n阶勒让德多项式，R代表地球的半径，μ代表引力系数，J_n代表带谐系数，r代表航天器所在位置处的地心距；

(2)计算太阳光压力其中代表太阳光压力，A代表航天器的横截面积，P代表太阳光压强度，代表太阳光线的单位矢量，代表沿着表面正法线方向的单位矢量。ρ_a表示被吸收系数，ρ_d表示漫反射系数，ρ_s表示完全反射系数；