[发明专利]球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法

说明书

本发明公开的球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，属于航天器姿态动力学与控制领域。本发明实现方法为：建立基于位置矢量和欧拉角描述的球型增阻离轨系统三维动力学模型，大气阻力模型中的大气阻力系数由大气状态、球型增阻离轨装置构型表征；中心引力模型中加入由带谐项系数、引力常数、地球半径、球型增阻离轨系统质量构成的摄动中心引力修正项，提高球型增阻离轨系统三维动力学模型的精度。基于所述模型将姿态模型简化至轨道平面，基于所述模型进行非线性分析，构建球型增阻离轨装置稳定构型约束条件。基于球型增阻离轨装置稳定构型约束条件，得到优化后的姿态自稳定的球型增阻离轨装置构型，进而提高球型增阻离轨装置的安全可靠性。

技术领域

本发明涉及球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，尤其涉及面向配置在低地球轨道卫星上用于寿命末期离轨的球型增阻离轨装置的自稳定构型优化方法，属于航天器姿态动力学与控制领域。

背景技术

航天活动尤其是近年来低地球轨道超大规模星座计划的不断开展，将导致空间碎片数量明显增加，这使得本就有限的轨道资源更加稀缺，也对在轨航天器的安全运行造成威胁。为减少碎片的产生，星座卫星配置主动离轨装置被认为是一项必要的碎片清除措施。在低地球轨道，由于空间环境摄动尤其是大气阻力对卫星影响显著，因此可以采用能够增大环境作用力的增阻离轨装置，通过增大卫星的有效面积，实现快速离轨。由于大气密度随轨道高度的降低而增加，在低地球轨道，可以利用球型离轨装置全向增阻的特性，依靠大气阻力使卫星离轨。

增阻离轨装置折叠收纳在独立的模块中，在卫星寿命末期展开，展开瞬间在弹力和大气阻力、太阳光压等环境摄动的作用下，球型增阻离轨系统很可能会无规则翻滚，带来很多不利影响。例如导致卫星和增阻离轨装置之间的连接受到较大冲击而断裂，影响照相机、天线等装置发挥作用。此外，无规则大角度姿态的转动对于球型装置会影响顺滑的补气，影响装置的安全可靠性和离轨效率。考虑到寿命末期的卫星没有姿态控制能力，需优化球型增阻离轨装置构型，实现球型增阻离轨系统姿态自稳定，提高球型增阻离轨系统的安全可靠性。

发明内容

为了解决低地球轨道卫星寿命末期离轨采用的增阻装置由于姿态无规则翻滚导致的离轨效率降低和易受冲击断裂等问题，本发明主要目的是提供一种球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，建立球型增阻离轨系统三维动力学模型，进而将球型增阻离轨系统姿态模型简化至轨道平面，基于所述球型增阻离轨系统姿态模型进行非线性分析，基于分析所得规律得到球型增阻离轨装置稳定构型约束条件，进而得到满足球型增阻离轨装置稳定构型约束条件的优化后的姿态自稳定球型增阻离轨装置构形参数，进而实现球型增阻离轨系统姿态自稳定，提高离轨卫星的姿态稳定性和安全可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明公开的球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，建立基于位置矢量和欧拉角描述的球型增阻离轨系统三维动力学模型，其中，将增阻离轨装置等效为均匀的充气薄膜球；大气阻力模型中的大气阻力系数由大气状态、球型增阻离轨装置构型表征；中心引力模型中加入由带谐项系数、引力常数、地球半径、球型增阻离轨系统质量构成的摄动中心引力修正项，提高大气阻力模型和中心引力模型的精度，进而提高球型增阻离轨系统三维动力学模型的精度。基于所述球型增阻离轨系统三维动力学模型将姿态模型简化至轨道平面，基于所述模型进行非线性分析，将离轨过程分为气动稳定区域、梯度稳定区域两个稳定区域，分析球型增阻离轨装置构型参数对区域分界线的影响，并构建球型增阻离轨装置稳定构型约束条件。基于球型增阻离轨装置稳定构型约束条件，得到优化后的姿态自稳定的球型增阻离轨装置构型，基于所述球型增阻离轨装置构型实现球型增阻离轨系统姿态自稳定，提高球型增阻离轨装置的安全可靠性。

本发明公开的球型增阻离轨装置自稳定构型优化方法，包括如下步骤：