[发明专利]一种基于进入圆球的火星高层大气风场及密度反演方法

说明书

本发明提供一种具有较高精度的火星高层大气风场及密度反演方法。具体实现方法为构建进入圆球的大气阻力加速度与大气风速、密度等参数间的关系，使用加速度计和陀螺仪等惯性组件联合确定进入圆球的轨迹姿态参数，基于加速度计测得的大气阻力方向实现大气风场参数反演，基于大气阻力模值及大气阻力系数建模实现大气密度反演。本发明具有精度高，低成本的优点，有效载荷仅包括一个三轴加速度计和一个陀螺仪，基于精密仪器给出的高精度数据可得到高精度的结果，可以基于微纳卫星平台实现，在此基础上组建微纳卫星探测星群，可实现对火星高层大气的全覆盖探测。

技术领域

本发明提供一种具有较高精度的火星高层大气风场及密度反演方法，它涉及使用进入圆球搭载加速度计和陀螺仪等惯性组件确定其轨迹姿态参数、基于加速度计测得的大气阻力方向实现大气风场参数反演、基于大气阻力模值及阻力系数建模实现大气密度反演的一系列方法。属于航天技术领域。

背景技术

火星大气的研究对于未来的火星探测活动有着重要意义。火星大气风场和密度是建立火星轨道器、着陆器以及未来火星航空器飞行动力学模型的重要参数，是火星进入飞行器的基本输入参数，其误差直接影响进入飞行器的气动布局和热防护设计。建立高精度的火星全球大气风场和密度模型，将来可以为火星外空间航天器的轨道设计、指引火星着陆器的着陆及在火星表面的行动、火星上航空器的空气动力学外形设计和控制导引飞行提供重要的数据支持。目前，火星大气数据库主要有NASA的火星全球参考大气模型(Mars-GRAM)和欧洲的火星气候数据库(MCD)，而我国尚未建立统一自主的火星大气数据。

美国最早实现对火星探测的是水手(Mariner)系列探测器，1964年发射的水手4号是第一次拍到火星表面的照片的探测器，之后的水手6号和水手7号发回了一些数据并传回了很多照片，水手9号是第一个环绕火星轨道进行任务的探测器，带回了更加丰富的火星资料。水手系列使用无线电掩星法测量了火星的电离层电子浓度以及火星的大气压力和温度等参数，证实了火星大气主要成分为二氧化碳气体。1975年的海盗计划是美国火星探测最成功的一个计划。其轨道器上装有红外光谱仪，用以探测火星大气中的水汽，分析其成分；红外辐射计来测量火星表面的温度分布及大气的温度。采用无线电掩星法探测火星大气层和电离层特性，包括电子浓度剖面、大气压力和大气温度。着陆器携带大气体色层分离质谱仪探测火星大气成分的变化，进行了大气成分分析。测得火星大气组成：二氧化碳含量为95％、氮气含量为2.7％、氧气含量为0.03％、氩气含量为1.6％，还有极少含量的氪、氙等其他微量气体，与地球大气物质组成极为相似，但含量大不相同。

自海盗系列探测器成功着陆火星之后，美国陆续发射了多个火星着陆探测器。1996年，美国发射火星全球勘测者从火星环绕轨道上进行了无线电掩星探测。火星环球勘测者的主要任务拍摄火星表面的高分辨率图像，研究火星的地貌和重力场探测火星的天气和气候，其携带的热辐射计可以测量大气温度及压力，分析火星表面和大气的组成。同年，发射的火星探路者号分为轨道飞行器和着陆器。着陆器在着陆过程中通过加速度计测量着陆器的非保守力所致加速度数据来反演火星大气密度同时测量火星表面的温度和压力等参数。