基于球面天文学的月球探测器轨道特性研究

论文摘要

对月球探测器姿态和轨道特性的分析是制定探测器姿态控制策略、轨道选择,进而对月球实施全局性综合探测的前提。因此,在全面展开某项月球探测任务之前,对探测器的姿态与轨道特性进行全面分析就显得很有必要。如轨道上卫星的受晒,它直接影响太阳能电池的供电情况与星内温控系统设计;轨道高度则会影响星上探测器对月面的扫描覆盖,决定探测器的观测效果。特别是在月球上,轨道高度还会影响到探测器的寿命。所以,对这些特性的全面了解将为探测卫星设计、轨道优化以及探测任务方案的拟定等工作打下坚实的基础。许多航天任务的分析,需要知道航天器所观察目标的视位置与视运动,对这类问题的分析,绝大多数只与方向几何相关。本文基于球面天文学,结合航天器自身的不同姿态,对一系列环月轨道的特性进行了分析。论文工作主要体现在以下三个方面:(1)分析了地球和月球阴影对月球探测器的影响特性,重点针对近月探测器的圆轨道和椭圆轨道,运用天球几何学方法,通过建立阴影模型,计算了一年中不同几何位置情况下近月探测器的月影时间。(2)分析了月球探测器的受晒情况。重点分析了探测器某一表面在不同姿态和不同时期所接受到的太阳能量的变化情况,为探测器能量供应策略及热控方案的制定提供参考。(3)参考衡量地球卫星对地覆盖效果的几个关键参数,结合月球自身的特点,分析了月球探测器对月面的覆盖情况,修订了相关公式中区别于地球的几个关键系数,并指出了现有计算方法的不足,进行了改进,提高了精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外月球探测发展现状
• 1.2.2 球面天文学的理论在月球探测中的应用现状
• 1.3 论文的主要内容和组织结构
• 第二章 空间任务中的球面天文学
• 2.1 天球几何学概论
• 2.1.1 天球表示法
• 2.1.2 球面上的点
• 2.1.3 球面上的圆
• 2.1.4 球面上的角
• 2.1.5 球面三角形
• 2.2 坐标系统
• 2.2.1 坐标系介绍
• 2.2.2 坐标系之间的转换关系
• 2.3 地月空间环境概况
• 2.3.1 月球概况
• 2.3.2 月球探测器轨道类型
• 2.4 本章小结
• 第三章 地球和月球阴影对月球探测器的影响
• 3.1 月球探测器阴影特性分析
• 3.1.1 地影的影响特性及其控制
• 3.1.2 月影的影响特性分析
• 3.2 近月探测器月影时间计算
• 3.2.1 计算太阳在月心惯性坐标系中的黄经角
• 3.2.2 柱形阴影模型
• 3.2.3 天球表示法模型
• 3.3 轨道倾角和轨道高度对月影时间的影响特性
• 3.3.1 轨道倾角对月影时间的影响特性
• 3.3.2 轨道高度对月影时间的影响特性
• 3.4 算例分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 月球探测器太阳角几何问题
• 4.1 太阳入射能量的计算
• 4.2 太阳辐射强度
• 4.2.1 圆轨道上运行的三轴稳定、天底定向航天器
• 4.2.2 姿态惯性固定的航天器
• 4.3 算例分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 月球探测器月面覆盖特性分析
• 5.1 覆盖的几个关键参数
• 5.2 覆盖的分析评估
• 5.2.1 瞬时视场面积的计算
• 5.2.2 覆盖关键参数的计算
• 5.3 算例分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果