[发明专利]一种日地系统Halo轨道探测器的构型及其姿态指向

权利要求书

1.一种日地系统Halo轨道探测器的构型及其姿态指向，航天器设计领域其特征在于：探测器的数传天线固定安装在探测器本体的+x_b面，数传天线的轴线垂直于探测器本体的+x_b面，且方向指向探测器本体的+x_b方向；探测器的太阳帆板固定安装在探测器本体的±y_b面，太阳帆板的轴线平行于探测器本体的±y_b轴，法线与-x_b轴夹角为θ，θ为太阳帆板的安装角；所述探测器本体的+x_b轴保持对地定向，同时探测器中太阳帆板的法线指向太阳；

上述探测器轨道坐标系为FO(x_o y_o z_o)，其中，探测器的质心为原点O_O，x_o轴指向地球，y_o垂直于太阳、探测器与地球构成的平面，指向与探测器的速度矢量方向为呈锐角的方向，z_o满足笛卡尔右手法则；定义探测器的本体坐标系FB(x_b y_b z_b)，其相对于探测器的轨道坐标系采用3-1-2的旋转顺序得到，+x_b，+y_b，+z_b分别表示x_b，y_b，z_b轴的正方向，-x_b，-y_b，-z_b分别表示x_b，y_b，z_b轴的负方向，且+x_b，+y_b，+z_b面分别表示法线指向+x_b，+y_b，+z_b方向的面，-x_b，-y_b，-z_b面分别表示法线指向-x_b，-y_b，-z_b方向的面；

所述θ＝(α+β)，α和β分别为Halo轨道周期内轨道角变量α₁和β₁的平均值，α₁为探测器和太阳的连线与太阳和地球连线的夹角，β₁为探测器与地球连线和地球与太阳连线的夹角。

2.如权利要求1所述的一种日地系统Halo轨道探测器的构型及其姿态指向，其特征在于：所述探测器本体的+x_b和±y_b为探测器的固定的散热面。

3.如权利要求1所述的一种日地系统Halo轨道探测器的构型及其姿态指向，其特征在于：所述太阳帆板安装角度θ通过下述步骤来确定：

步骤1：根据坐标系转换关系，确定Halo轨道角变量α₁的计算公式；

设日心为S、地心为E、地日质心为E.S、探测器为S/C；

在Halo轨道坐标系F(x y z)中，原点O取在E.S，x指向E；z沿地球绕太阳旋转方向，由此，地心E在F中的坐标为(1-μ 0 0)^T，日心S在F中的坐标为(-μ 0 0)^T，其中，μ为地球质量与太阳地与地球总质量的质量比，m_E为地球质量，m_S为太阳质量，y轴由笛卡尔右手法则确定；

在日心旋转坐标系FR(x_R y_R z_R)中，以日心S作为原点，x_R轴指向地球，黄道面的法线为z_R轴，y_R轴则由笛卡尔右手法则确定；

在探测器轨道坐标系FO(x_o y_o z_o)中，原点O_o取在S/C质心；x_o轴指向地球，y_o垂直于太阳、探测器与地球构成的平面，与探测器速度矢量的方向呈锐角，z_o轴则由笛卡尔右手法则确定；

另设R_k(γ)，(k＝x，y，z)，为绕k轴转角为γ的旋转矩阵，具体有：

Rx(γ)=1000cosγsinγ0-sinγcosγ,]]>Ry(γ)=cosγ0-sinγ010sinγ0cosγ,]]>Rz(γ)=cosγsinγ0-sinγcosγ0001;]]>

由此，可得到由Halo轨道坐标系F到探测器轨道坐标系FO转换关系如下：

Fx+μ‾→FRRy(α1)Rz(α2-π)Ry(-π/2)‾→FO]]>

其中，x为探测器的位置矢量r在Halo轨道坐标系F中的x轴的分量；α₁，α₂为Halo轨道角变量，α₁为探测器和太阳的连线与太阳和地球连线的夹角，α₂为探测器、地球、太阳所在平面与日心旋转坐标系FR的x_R与z_R所在平面夹角；

所述α₁与α₂可由定轨信息换算后得到：

α1=arccosxRrS-S/C=arccosx+μrS-S/C]]>

α2=arctanyRzR]]>

式中，r_S-S/C为太阳到探测器的距离，(x_R y_R z_R)为探测器的位置矢量r在日心旋转坐标系中FR的坐标分量，(x y z)为r在Halo轨道坐标系F中的坐标分量；

步骤2：确定Halo轨道周期内轨道角变量α₁的平均值α；

α=1T∫Tα1dt]]>

其中，T为Halo轨道周期；

步骤3：确定Halo轨道周期内轨道角变量β₁的平均值β；

Halo轨道周期内轨道角变量

其中，r_E-S/C为地球到探测器的距离，

则：

β=1T∫Tβ1dt;]]>

步骤4：确定太阳帆板安装角θ；

θ＝α+β。