太阳帆精确动力学建模与参数识别

Japan launched the world''s first solar sail mission in 2010, IKAROS. One of the challenges of IKAROS is the accurate modeling of solar radiation pressure force. The inaccurate modeling leads to inaccurate guidance, navigation and control. The solar radiation pressure force model determines the force and torque exerted on the solar sail, which determines the orbit and attitude of the solar sail. In fact, the solar radiation pressure force influences the deformation of the sail film since it is easy to deform. The deformation of the sail film has to be considered for accurate modeling. In former references, the sail film is always regarded as an ideal mirror or an optical mirror. The deformation of the film was never included in the modeling. The mirror sail model is not accurate enough for the high requirements in the guidance, navigation and control of solar sail missions in future. A fine model of solar sail is necessary. The project focuses on the force and torque modeling of solar sail including film deformation and parameter identification of the model using measurement data of orbit and attitude. The results of the project can be utilized for perturbation analysis of solar radiation pressure force and torque for typical satellite.

日本在2010年成功发射了IKAROS号太阳帆，成为世界上第一颗太阳帆任务。该任务遇到的困难之一是太阳帆的建模问题，太阳帆的模型不准确导致无法实现准确的导航、制导与控制。光压力模型确定太阳帆的光压力和光压力矩，影响太阳帆的姿态和轨道。实际上，帆膜材料非常容易发生皱褶和变形，因此，太阳帆的受力会影响帆膜的变形。进行太阳帆精确动力学建模时，必须考虑太阳帆的变形。现有的太阳帆动力学与控制研究中，通常将帆膜视为平整的镜面，部分学者考虑了帆膜的光学特性，从未有文献在建模时考虑帆膜的变形因素。面对未来更多的太阳帆计划，以及精确的导航、制导和控制要求，将帆面当作平面处理已经不够准确了，需要建立一种精确的太阳帆模型，考虑更多影响太阳帆受力的因素。该项目将建立一种考虑帆面变形的高精度动力学模型，研究如何利用测量的轨道和姿态数据对该模型进行准确的参数辨识。该成果也可用于传统卫星的太阳光压力和力矩摄动分析。

日本在2010 年成功发射了IKAROS 号太阳帆，成为世界上第一颗太阳帆任务。该任务遇到的困难之一是太阳帆的建模问题，太阳帆的模型不准确导致无法实现准确的导航、制导与控制。光压力模型确定太阳帆的光压力和光压力矩，影响太阳帆的姿态和轨道。实际上，帆膜材料非常容易发生皱褶和变形，因此，太阳帆的受力会影响帆膜的变形，从未有文献在建模时考虑帆膜的变形因素。因此，本项目的任务之一是建立太阳帆的精确动力学模型。IKAROS任务验证了另一个技术是可变反射率材料进行姿态控制，本项目将进一步探测可变反射率材料在太阳帆的轨道，姿态动力学方面的应用。通过本项目的研究，得到了解析的任意形状的太阳帆光压力参数化模型和数值计算任意变形的太阳帆光压力模型。同时，研究结果表明利用可变反射率材料可以产生更多的新的非开普勒轨道、实现太阳帆的轨道控制、轨道姿态耦合控制等。最后，研究了太阳帆在椭圆限制性三体问题中的动力学，获得了新的人工拉格朗日点和周期轨道。