[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

说明书

技术领域

本发明涉及航天器设计领域，具体来说，是一种日地系统Halo轨道探测器的构型及其姿态指向。

背景技术

目前人类深空探测活动的触角已由月球延伸到类地内行星(包括水星、金星)和类地外行星(包括火星、木星)。探测任务包括全球地球地图勘测、环境和地质等科学探测。日-地拉格朗日点L1/L2点Halo轨道分别位于地球内侧和外侧。

国际上已发射多颗定位在拉格朗日点附近的航天器。

ISEE-3/ICE发射与1978年8月12日，质量478kg，寿命32年，位于日地L1点，Halo轨道周期178天，用于彗星探测。ISEE-3有四个用于S波段无线通讯和等离子体波研究的49m长的导线天线，以20rpm速率旋转，体贴式太阳电池，一对太阳敏感器提供精度0.1°左右的姿态信息。采用肼推力器进行姿态和ΔV机动，12个推力器用于姿态和轨道控制。

SOHO发射与1995年12月2日，质量1861kg，位于日地L1点，Halo轨道周期180天，用于太阳观测。三轴稳定，携带许多连续指向太阳的科学仪器，其名义姿态为x轴连续指向太阳，而y轴指向黄道北极。具有一个高增益天线和一个低增益天线。

ACE，1997年8月25日发射，用于分析太阳风和宇宙射线的成分，除四个太阳电池阵和附着在太阳翼上的磁强计外，外形尺寸为1.6m×1.6m×1m，发射质量785kg，位于日地L1点的Halo轨道。太阳翼提供约500W电能。探测器以5rpm速率旋转，旋转轴沿地-日连线方向，大部分科学设备安装在上部(面向太阳)的甲板上。

MAP于2001年6月发射，840kg，位于日地L2点的Halo轨道，用于宇宙背景辐射温度测量。MAP以0.464rpm的速率自转，被动热控，有效载荷需保持不被太阳照射，太阳翼固定安装，并保证太阳入射角在一定范围内。

Genesis与2001年8月8日发射，质量636kg，寿命3年，位于日地L1点和L2点的Halo轨道，任务是太阳分取样返回，探测器以一圈37.5s的速度自旋稳定，装有两个固定太阳翼，提供最大254W的能量给镍氢蓄电池。通讯为S波段固定天线完成。温度由加热器和被动热控控制。

Herschel和Planck于2009年5月14日发射，位于L2点Lissajous轨道，分别用于远红外天文观测和探测宇宙微波辐射。Herschel内的科学仪器需要工作在零度左右，因此该探测器固定安装有一个遮蔽上部仪器的遮阳罩和一个遮蔽底部仪器的遮阳板，遮阳板上装有太阳电池片从而为探测器供电。Planck的圆形太阳列阵固定在卫星底部，当卫星绕其纵轴旋转时，太阳列阵总保持指向太阳。姿态控制系统为完成指向和快速定向需求而设计，主要姿态敏感器为恒星跟踪定位器。

探测器在工作轨道上的姿态设计除了满足载荷工作外，还需要考虑数传和热控等。对于科学探测为目标的探测器，在不同阶段对于测控精度要求不同：(1)航天器离开转移轨道实施捕获机动时，要求地面增加测站以提高轨道的测定精度；(2)在航天器成功捕获到工作轨道后，往往不再进行轨道机动或连续机动的时间间隔很大，此时探测任务对航天器轨道星历的精度要求较低，所占用测控资源较少，减轻上下行通道的压力和地面操作人员的压力。因此，以科学探测为任务的探测器对其姿态有如下要求：(1)该姿态对轨道星历的精度要求很低；(2)由于深空距离尺度较大，数传码速率较低，要求最大限度保证“器-地”数传通道的通畅；(3)探测器散热面固定；(4)探测器转动部件及其转动范围尽可能小。

由于平动点附近轨道距离地球较远，姿态定向成为一个关键问题，如何解决远距离通讯的时间延迟及探测器能源供应成为突出问题。现有平动点探测器大多采用被动热控、可定向太阳翼及可定向数传天线(通常是两个，一个用于空间大尺度低码率数传，一个用于高码率数传)来完成其姿态指向任务。如此一来，探测器的转动部件较多，柔性大，不易控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种日地系统Halo轨道探测器的构型及其姿态指向，通过在探测器本体上固定散热面、固定太阳翼及固定数传天线完成姿态指向任务，且由于探测器活动部件的减少，探测器可控性与可靠性提高，降低了探测器的控制难度。