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国防科学手艺大学钻研生院硕士学位论文 12月心

  月心赤道惯性系该坐标系为惯性坐标系 是本文为便利描述近月探测器轨道暗影特征 自定义的一个坐标系 暗示为LLLLOXYZ 坐标原点位于月心LO 参考面取月球实赤道面沉合 X轴为极月惯性固定轨道面取月球实赤道面的交线 Z轴取月球自转轴沉合 指向北极 如图2 10所示。 10月心赤道惯性系 地心惯性坐标系

  基于球面天文学的月球探测器轨道特征研究,月球探测器,欧洲月球探测器,苏联月球探测器,月球轨道,月球轨道高度,探测器,金属探测器,红外探测器,火星探测器

  月心赤道惯性系该坐标系为惯性坐标系 是本文为便利描述近月探测器轨道暗影特征 自定义的一个坐标系 暗示为LLLLOXYZ 坐标原点位于月心LO 参考面取月球实赤道面沉合 X轴为极月惯性固定轨道面取月球实赤道面的交线 Z轴取月球自转轴沉合 指向北极 如图2 10所示。 10月心赤道惯性系 地心惯性坐标系取月心惯性坐标系之间的转换忽略效应的影响 两个坐标系之间的转换为简单的平移 如图2 11所国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 11探测器正在地心惯性坐标系和月心惯性坐标系中的矢量关系 图中r 、Er 别离为月球探测器正在月心惯性坐标系、地心惯性坐标系中的矢量 LR 为月心正在地心惯性系中的矢量 可从 月球历表DE403 LE403中获得。则 ELrrR 月心惯性坐标系取月固坐标系之间的转换确定月心惯性坐标系取月固坐标系的转换关系 需要领会月球的活动纪律 月球的自转是用下述卡西尼三个定律描述的 10 11 26 27 月球的自转轴垂曲于月球赤道 扭转周期等于月球绕地球公转的恒星月平均长度 月球赤道取黄道的倾角LI 为 132 LI 月球赤道面、黄道面和自道面三者交于条线 且黄道面位于两头。白道相对于黄道的降交点取月球赤道相对于黄道的升交点沉合。因自道和黄道之间的夹角Li 也为 且509 Li 。所以 月球赤道面和白道的夹角LLiI 也为。 做为卡西尼第必然律的成果 月固坐标系的从标的目的就确定了月球的本初子午线 它的平均指向瞄准地球圆盘核心 但并不是时辰指向地球的。具体的变化环境文献 10 中有详尽的描述。 文献 10 还引见了天球上相关的圈、线、点、角及其彼此关系 据此能够获得月心惯性坐标系LOXYZ 和月固坐标系 LOXYZ 的关系 如图2 12所示。 国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 12月心惯性坐标系取月固坐标系的关系 12中LˆΩ、Lˆu和Lˆi为月心天球坐标系取月固坐标系之间的欧拉角 均可间接查 月球历表DE403 LE403计较获得。 探测器从月心天球坐标系到月固坐标系的矢量的转换关系为 地月空间概况正在对月球探测器的姿势和轨道特征展开阐发之前 有需要对地月空间、月球及月球探测器的根基环境有一个领会。本节将对这些环境进行简单引见。 月球概况月球的平均半径1738kmLa 约为地球半径的3 11 体积为192 210 3m 约为地积的1 49。月球并不是抱负的正 正在一般的计较中可将月球做为圆球对待 11 12 月球质量2273510kgLm 约为地球质量的1 81 月球概况的引力加快度为1 622m 月球上的逃逸速度约为24km 当月心距取地心距不异时沿圆轨道活动的月球卫星的速度约为沿圆轨道活动的地球卫星的1 月球公转的白道面取黄道面订交509如图2 13所示。月球自转的赤道面取国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 白道面订交132倾角连结不变。但白道面取赤道面的交线所示。 13月球白道面取黄道订交 14月球白道、赤道取黄道面倾角不变 正在月面天球上 太阳沿黄道活动 周期365 2422日 恒星沿赤道平行圈活动 周期27 32166140日 地球正在白道上根基不动 由于月球自转取绕地球公转的周期不异。月球上东南西北标的目的的定义取地球不异。因为三道的交角很小 凡是能够忽略它们的不同 将天极、白极取黄极看做是统一个点 22 月球上的日夜周期是太阳的周日和周年活动的汇合周期通过汇合周期的公式 20 计较 等于29 5305882日 取月相的朔望周期不异 取恒星周期差2 2089268日。除两个顶点以外 不分一年四时 永久日夜等分。 国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 正在月面天球上地球是定点。成为定点该当满脚两个前提 活动标的目的和周期都取自转不异。地球正在月面天球上根基满脚这两个前提 但并不严酷满脚。因为白道取月赤道略有倾斜 地球正在赤道两侧周期性摆动 纬天平动 幅度641 而且因为轨道不是正圆 地球正在白道上有超前、掉队的摆动 经天平动 幅度616 。所以月面上空的地球根基不动而略有位移 正在相当于斗极斗勺大小的范畴内 步履极慢地皮桓 每月一次来去。同样事理 对着地球的月球反面也略有变更 核心点正在月球概况上2 405380 Km 范畴内周期性地迟缓挪动 28 月球探测器轨道类型月球探测器的轨道选择由探测目标决定 同时遭到运载火箭、探测手艺等方面的。总结人类的月球探测实践 按照地月飞翔的 月球探测器的轨道类型大致有以下几种 飞越轨道探测器加快后以相对于地球的抛物线或双曲线轨道飞向月球 正在月球附近越过月球进入太阳系成为人制卫星。 击中月球探测器加快后以相对于地球的椭圆 或抛物线、双曲线 轨道飞向月球 并取月面相撞。 绕飞月球探测器加快后以相对于地心的椭圆轨道飞向月球。正在月球附近探测器相对于月心以双曲线轨道飞翔。当双曲线的近月距小于月球半径时 则将击中月球 当近月距大于月球半径时 则将绕过月球 前往地球附近。 成立月球卫星探测器加快后 以地心椭圆轨道飞向月球 正在月球引力感化范畴内以月心双曲线轨道绕月心活动。若正在月心双曲线上恰当的 例如近月点 用制动策动机对探测器进行制动并进行速度批改 使探测器改变为月心椭圆 轨道活动探测器即成为月球卫星。 月面着陆软着陆 取硬着陆轨道分歧的是为避免取月球碰撞 软着陆轨道必需正在落向月面过程中降低相对于月心的速度 因此探测器必需具有制动系统 使相对取月球的速度减小到接近于零。 月面着陆和前往国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 这类轨道先要实现软着陆然后从月球出发前往地球。 近年来的月球探测均包罗构成月球卫星的探测体例 特别是构成极轨的圆轨道近月卫星 持久正在月球附近工做 进行月球概况画图 研究月球、引力场 正在月球极区寻找冰等科学探测使命 29 。本文将沉点阐发运转于极月圆轨道上的探测器 包罗其轨道暗影影响特征及暗影时间的计较。 本章小结本章起首引见了本文涉及的次要理论方式——球面天文学的根基道理 然后对本文涉及的坐标系统及彼此之间的转换进行了描述 是成立月球探测器轨道数学模子的根本 最初对地月空间 包罗月球的根基概况以及月球探测器轨道类型进行了简要引见。后续章节将正在本章的根本上层层展开 以本章的理论为根本对所关怀的问题进行研究。正在某些处所 将按照问题的特点对原有的理论进行扩展和改良 使其能更无效地处理问题。 国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 第三章地球和月球暗影对月球探测器的影响 暗影是指星体或卫星因其它星体遮挡而无法受太阳映照的景象。遮挡物为地球时 暗影称为地影 遮挡物为月球时 暗影称为月影。出格地 月球受地球遮挡呈现暗影称为月食 太阳受月球遮挡呈现暗影称为日食。光照无论是对地球卫星仍是月球卫星都是很主要的 它影响到卫星热控系统、电池组等的平安无效运转。对于月球卫星 正在其运转期间将遭到地影和月影的双沉影响。本章将对月球卫星的地影和月影环境别离进行会商 此中沉点阐发月影时间取卫星轨道特征的关系 并给出月影时间的计较方式。 1月食对环月卫星的影响月球受地球遮挡呈现暗影称为月食。月食虽然是一种常见的天文现象 但对于绕月探测卫星来说其影响不成轻忽。例如 NASA于1998年发射的“月球探测者” Lunar Prospector 正在履历月食的时候就面对了严峻的 30 31 其星上电池正在卫星一般工做时额定最大放电时间只要47min 面临月食期间近3h持续无太阳映照的环境 23 其电源和热控系统面对庞大的风险。 月食取环月卫星的关系月食指当太阳、地球和月球三者处于统一曲线上时 月球进入地球暗影所呈现的。图3 1给出了月食构成的道理演示。别的因为白道面取黄道面具有59 的交角 所以只要月球运转到升交点时 才会发生月食。根基上 月食每隔约6个月发生一次 20 月食构成的道理环月探测卫星凡是运转正在高度较低的绕月轨道上 正在月球进入地球暗影的同时 卫星将取月球一路进入地球暗影区。因为低轨月球探测器轨道周期凡是较短 国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 正在一般环境下卫星光照受月球遮挡的时间凡是也比力短。正在月食环境下卫星跟从月球进入地球暗影的时间将大大跨越其进入月球暗影的时间 长时间的无光照形态对于环月卫星的一般运转将是一个严峻的挑和。 月食对环月卫星的影响月全食要履历初亏、食既、食甚、生光、复圆五个阶段 如图3 2所示。此中月球从食既阶段起头一曲到生光阶段完全处于地球暗影中 凡是全食时间从10 100min不等。例如 正在2008年呈现了两次月食 此中全食和偏食各一次 全食时间为51min。别的若是考虑月食全数的5个阶段的线min。 月全食示企图该当留意的是 按照环月卫星取月球的相对分歧 其正在月食期间进入地球暗影的时间取月全食时间并不不异。因为环月卫星相对月球来说体积小得多 正在月球进出地影的过程中环抱月球运转的卫星凡是曾经进入暗影区 因而正在月全食中月球卫星进入地影的时间会长于月全食时间。别的按照环月卫星轨道升交点赤经的分歧 月食期间卫星还可能会同时遭到月影的影响 使得卫星无太阳映照时间进一步加长 32 。由此可见 月食对环月卫星的影响次要就是使卫星长时间进入暗影区 这将间接影响到卫星的电源和热控系统。由于正在长时间无太阳映照形态下 卫星太阳帆板将无法一般充电 使得星上蓄电池放电时间过长 可能形成星上供电不脚 另一方面卫星正在无太阳映照且供电不脚环境下热控系统也将不成以或许连结一般的工做形态 这些城市给卫星的一般运转形成风险。 2现有的节制策略为保障环月卫星的平安运转 需要尽量缩短卫星正在月食期间的无太阳映照时间。因为月食起头时 月球是逐步进入地球暗影的 从初亏到食既凡是需要1h以上的时间 33 。对于环抱月球的卫星来说 相对于月球的分歧 进入地球暗影的时间可能会有很大不同。如图3 3所示 A、B、C别离暗示卫星正在不怜悯况下进入地影的时间分歧。此中A环境下 卫星正在月食方才起头时便进入地球暗影 C环境下卫星正在达到食既时才进入地球暗影 B的环境介于A和C之间。环月卫星进入地球暗影的时间要取决于月食起头时环月轨道的升交点和卫星正在轨道国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 上的相位。对于轨道节制能够通过调整卫星轨道高度 改变卫星运转周期 实现相位调整 优化卫星进出地影时辰 缩短卫星正在地影中的时间。 卫星进入地影示企图文献 30 31引见了通过月食前调整卫星相位以缩短卫星暗影时间的方式。文中提到 当卫星初始相位使得卫星呈现长暗影时间时 通过正在月食前调整卫星相位 使卫星长暗影时间缩短为短暗影时间。 轨道相位调整需通过调整轨道半长轴实现。月食调相轨道节制能够简单归纳综合为以下两个步调 月食暗影相位区间的计较月食暗影相位区间计较是按照初始轨道计较月食日暗影时间 确定月食日短暗影的相位区间。 月食调相节制计较月食调相节制计较是按照初始轨道和月食日零点方针相位、月食调相轨控时辰 计较月食调相轨道节制脉冲轨控量。此中月食调相轨控时辰可儿工指定 也可按照降低轨道或抬高轨道确定正在近月点或远月点做为调相轨控时辰。 简言之 调相轨控就是正在合适的时辰抬高或降低卫星轨道高度 改变其相位 使其尽可能较月球晚进入暗影区 而早走出暗影区。利用文献 30 31的方式可无效缩短月球卫星的地影时间 从而了星上设备正在月食期间的不变运转。 月影的影响特征阐发从上一节的阐发可知 一年中地影只影响月球卫星两次 而且通过无效的轨道节制 能够减小地影的影响。必赢体育而月影则分歧 它取月球、太阳的相对以及卫星的轨道特征都相关系。例如我国“嫦娥一号”卫星 其轨道高度为200km 轨道倾角为90 为一空间惯性固定的极月圆轨道 3235 若太阳相对月球的用太阳相对轨道面的夹角暗示 则一年内此夹角正在0360 范畴内变化 进而获得一年内“嫦娥一号”卫星轨道月影时间随太阳相对轨道面夹角变化的曲线所示。 国防科学手艺大学研究生院硕士学位论文 太阳相对轨道面夹角deg月影时间 min 4能够看出跟着一年中太阳的变化 月影分阶段呈现 且持续时间也正在不竭变化。本章接下来的内容将对月影时间的计较步调、月影时间取探测器轨道高度、轨道倾角等的关系展开研究 以期对月影的影响特征有一个比力全面的领会。 近月探测器月影时间计较关于暗影问题 曾经有良多分歧的方式 并正在分歧近似假设下 获得了满脚工程要求的解。文献 36 提出操纵卫星所正在的太阳、地球和月亮的视角半径和视面积来判断卫星能否正在暗影中 但因为太阳和月亮的角半径很小 计较的相对误差较大。文献 37 通过解四次方程求得卫星进出地影的 为求解该方程 对方程系数做了一些简化。文献 38 用迭代法求出卫星进出地影的 但迭代初值采用解区间的中点 导致较慢的迭代速度 而且迭代的性也较差。虽然以上几种方式都能获得满脚必然精度的解 但为了兼顾通用性 都没有严酷区分圆轨道和椭圆轨道。现实上 操纵轨道的特征 出格是圆轨道 能够使问题的求解愈加简化 并能获得较高精度的解。本节将针对近月探测器的圆轨道和椭圆轨道 通过采用分歧的方式求解暗影问题。 计较太阳正在月心惯性坐标系中的黄经角由太阳正在月心惯性系中的黄经角能够计较太阳相对月心的 进而能够阐发太阳和月球卫星的相对几何干系。本节将起首给出太阳黄经角的计较步调 做为本章后续阐发的根本。 计较分以下几步进行 由公历日期DMY转换成儒略世纪数t