复杂结构航天器太阳光压模型精化方法研究

Solar radiation pressure is the largest non-gravitational perturbation for most spacecrafts in the solar system, and can therefore have a significant influence on their orbital dynamics. For satellite higher than 800 km, SRP perturbation effect on the orbit exceeds atmospheric perturbation, and becomes the most important non-conservative force. Because of the irregular geometry shape, the complexity and uncertainty of physical interaction mechanism of photons with satellites, and the degeneration of the outer material, it has been difficult to compute accurate analytical models for complex shaped spacecraft. We concentrate on precision SPR modeling method and rapid solution algorithm to deal with realistic and complex spacecraft structures efficiently, based on accuracy geometry and surface representation. The research mainly includes the following three contents: (1) accurate modeling of the curved surface, and the morphological shape changes with different working condition; (2) modeling the effects of how radiation reflected from the spacecraft surface can strike other parts of the complex structure causing further acceleration; (3) modeling the optical properties degeneration of the out material, which is caused by the long-term exposure to the space environment. This research will provide a general modeling framework, which can improve the accuracy of SPR and efficiency of the computational processing.

太阳光压是一种作用在航天器表面的非保守摄动力，对航天器精密定轨具有重要影响，已经成为中高轨航天器轨道动力学模型的最主要误差源。复杂结构航天器在建模时存在的外形表示、光子与航天器作用机理、材料老化等问题，是太阳光压模型误差的主要因素。光压和光照是光子作用于物体产生的两种不同自然现象，其作用机理具有一定的相似性。本项目拟引入计算机图形学中的光照原理和真实感渲染技术，研究太阳光压精化模型及快速计算方法。包括：（1）研究航天器几何建模方法，对精细化几何外形、表面材料属性、部件运动变形进行描述和数据组织；（2）分析光与复杂物形的作用力模型，基于阴影生成、光线追踪等技术，研究高效的光压计算方法；（3）探索表面材料的光压参数在空间中的变化规律，建立相应的材料老化预测模型。以上研究，对深入揭示光压产生机理，提高定轨精度有重要意义，将为我国北斗导航和空间站工程提供技术支撑。

太阳光压是一种作用在航天器表面的非保守摄动力，对航天器精密定轨具有重要影响，已经成为中高轨航天器轨道动力学模型的最主要误差源。复杂结构航天器在建模时存在的外形表示、光子与航天器作用机理、材料老化等问题，是太阳光压模型误差的主要因素。光压和光照是光子作用于物体产生的两种不同自然现象，其作用机理具有一定的相似性。本项目利用计算机图形学中的光照原理和真实感渲染技术，研究太阳光压精化模型及快速计算方法。研究期间，主要进行了如下三个方面的研究：1. 建立了复杂结构航天器模型描述规范，基于树结构和三角网格，实现对航天器精确几何外形、部件运动变形、材质、层次关系的表示。在航天器部件变形表征方面，提出了一种动作链的方式，对航天器部件的复杂运动进行定义，实现部件复杂动态过程的描述。2. 基于航天器几何投影原理，实现了航天器迎风面积建模，并利用天宫一号在轨飞行数据进行了定轨实验验证。从实验结果可以看出，本文方法具有更高的轨道精度，不同预报弧段的误差均小于传统方法，且预报弧段的越长，精度提高越明显。3. 设计了基于射线反射和跟踪的光压受照面计算方法，实现了有效面积及太阳光压的计算。本文方法应用到天宫一号定轨中，在30天中长期预报下，本文方法精度能提高约4%。