專利名稱：空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法。
背景技術(shù)：
一些以基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)為任務(wù)目標(biāo)的空間任務(wù)，如探測引力波和檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的LISA和ASTROD任務(wù)，需要參考質(zhì)量沿著純引力軌道飛行(參見期刊《經(jīng)典與量子引力》 (Classical andQuantum Gravity) 2003 年第 20 卷的文章 “LISA 的集成模型(The LISA integrated model) ”和期刊《原子核物理B》(Nuclear Physics B) 2007 年第 166 卷 153-158 頁文章“ASTR0D (激光天文動(dòng)力學(xué))and ASTROD I”)。同樣，利用參考質(zhì)量沿著近地純引力軌道飛行，并獲取參考質(zhì)量的純引力軌道，能夠用于精確測量地球重力場(參見期刊《國際宇航科學(xué)院院刊》(ActaAstixmautica) 2012年特刊文章“采用精密編隊(duì)飛行技術(shù)獲取純弓I力軌道(Acquirement of puregravity orbit using precision formation flying technology)，，)。對(duì)于這些任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)而言，衛(wèi)星作用在內(nèi)部參考質(zhì)量上的萬有引力是一個(gè)主要的干擾力，影響純引力軌道的性能水平(參見《經(jīng)典與量子引力》(Classical and Quantum Gravity) 2004年第21卷第5期S653-S660頁的文章“當(dāng)前的LISA殘余加速度誤差估計(jì)(Current error estimates for LISA spurious accelerations)，，)。精確掌握純引力軌道的萬有引力攝動(dòng)，是提高純引力軌道性能的基礎(chǔ)。
現(xiàn)有技術(shù)中，LISA模型團(tuán)隊(duì)建立了萬有引力干擾的數(shù)值計(jì)算方法，采用衛(wèi)星有限單元模型提供的結(jié)點(diǎn)質(zhì)量和位置，并將每個(gè)單元近似為質(zhì)點(diǎn)計(jì)算其對(duì)參考質(zhì)量的引力、 力矩和梯度作用，然后對(duì)所有單元求和得到整體量(參見《經(jīng)典與量子引力》(Classical and Quantum Gravity) 2005年第22卷第10期S395-S402頁的文章“LISA自引力分析模型(Self-gravity modeling forLISA)”)。谷振豐等提出了利用專門的補(bǔ)償質(zhì)量抑制萬有引力攝動(dòng)的方法，即在衛(wèi)星上安裝補(bǔ)償質(zhì)量塊，調(diào)整衛(wèi)星的質(zhì)量分布，降低衛(wèi)星對(duì)參考質(zhì)量塊的萬有引力(參見《國際宇航科學(xué)院院刊》(Acta Astronautica) 2012年第81卷第2 期635-644頁的文章“內(nèi)編隊(duì)系統(tǒng)純引力軌道萬有引力攝動(dòng)補(bǔ)償抑制(Compensation of gravitational attraction disturbance to pure gravity orbit forlnner Formation Flying System)”)。
但是，這些都是基于理論方法、數(shù)值計(jì)算開展的，并且采用了一些近似方法，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。只有對(duì)萬有引力攝動(dòng)計(jì)算和抑制結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，才能更好地推動(dòng)純引力飛行系統(tǒng)的工程實(shí)施。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種新型的空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法，解決上述問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法，包括步驟如下
步驟I、將純引力軌道飛行衛(wèi)星在模式一下運(yùn)行一定周期，觀測衛(wèi)星軌道，并記錄軌道觀測數(shù)據(jù)；
步驟2、將步驟I中所述的衛(wèi)星繞著沿軌道面徑向的主軸做180°旋轉(zhuǎn)，從而將飛行方向的萬有引力攝動(dòng)反向，形成模式二 ；所述的衛(wèi)星在所述模式二下再次運(yùn)行與步驟I 中相同的周期，同樣精確觀測衛(wèi)星軌道，并記錄軌道觀測數(shù)據(jù)；
步驟3、根據(jù)步驟I和步驟2的軌道觀測數(shù)據(jù)，分別得出兩種模式下的軌道半長軸長期變化，做差，得到兩種模式下的衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差的實(shí)際觀測值；
步驟4、根據(jù)兩種模式下的萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果，通過衛(wèi)星軌道攝動(dòng)方程得出兩種模式下萬有引力攝動(dòng)導(dǎo)致的軌道半長軸變化量計(jì)算值，進(jìn)而得到兩種模式下軌道半長軸變化量之差的理論預(yù)測值；
步驟5、將步驟4所得的理論預(yù)測值與步驟3所得的實(shí)際觀測值進(jìn)行對(duì)比，如果兩者一致，則驗(yàn)證了理論預(yù)測值的準(zhǔn)確性，從而間接驗(yàn)證了萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性， 說明了萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法的有效性；否則，說明萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法無效。
優(yōu)選的，所述的模式一，是指純引力軌道飛行衛(wèi)星飛行方向的萬有引力攝動(dòng)沿著前進(jìn)方向，又稱為標(biāo)稱模式，該模式下萬有引力攝動(dòng)會(huì)使得參考質(zhì)量軌道半長軸逐漸增大；
所述的模式二，是指純引力軌道飛行衛(wèi)星繞著沿軌道面徑向的主軸做180°旋轉(zhuǎn)， 從而將飛行方向的萬有引力攝動(dòng)反向，該模式下萬有引力攝動(dòng)會(huì)使得參考質(zhì)量軌道半長軸逐漸減小。
優(yōu)選的，步驟I中，所述的一定周期，是指15日至I個(gè)月。
優(yōu)選的，所述衛(wèi)星軌道攝動(dòng)方程是指
=-^==[fxeinner Sinfhmer + /；, (I + eimKr Cosfhmer)](Xtfq . /I — Pitvui V inner
其中ainnOT為參考質(zhì)量軌道半長軸,einnOT為參考質(zhì)量軌道偏心率,finner為參考質(zhì)量軌道真近點(diǎn)角，ninner為參考質(zhì)量軌道角速率；fx為萬有引力攝動(dòng)在參考質(zhì)量軌道徑向上的分量，fy為萬有引力攝動(dòng)在參考質(zhì)量軌道飛行方向上的分量。
本發(fā)明的技術(shù)方案中中步驟1、2、3作為整體，與步驟4之間是順序不分先后的；既可以先進(jìn)行步驟1、2、3，再進(jìn)行步驟4 ;也可以先進(jìn)行步驟4，再進(jìn)行步驟1、2、3 ;也可以在進(jìn)行步驟1、2、3的同時(shí)進(jìn)行步驟4。
本發(fā)明的目的是在純引力軌道飛行衛(wèi)星中，根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)原理對(duì)純引力軌道萬有引力攝動(dòng)進(jìn)行在軌飛行驗(yàn)證。
本發(fā)明空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法包括將純引力軌道飛行衛(wèi)星在兩種不同模式下運(yùn)行、利用軌道觀測確定兩種模式下衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差、 利用萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果預(yù)測兩種模式下衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差、比較兩種模式下衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差的理論預(yù)測值與實(shí)際觀測值。
所述的純引力軌道飛行衛(wèi)星在兩種不同模式下運(yùn)行，是先將衛(wèi)星在標(biāo)稱模式下運(yùn)行一定周期，然后將衛(wèi)星繞著沿軌道面徑向的主軸做180°旋轉(zhuǎn)，從而將飛行方向的萬有引力攝動(dòng)反向，在這第二種模式下再次運(yùn)行相同的周期。所述的利用軌道觀測確定兩種模式下衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差，是對(duì)兩種模式下運(yùn)行的衛(wèi)星進(jìn)行軌道觀測，然后利用軌道觀測數(shù)據(jù)分析得出兩種模式下的軌道半長軸長期變化，做差得到兩種模式下的衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差的實(shí)際觀測值。所述的利用萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果預(yù)測兩種模式下衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差，是根據(jù)兩種模式下的萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果，通過衛(wèi)星軌道攝動(dòng)方程得出兩種模式下萬有引力攝動(dòng)導(dǎo)致的軌道半長軸變化量計(jì)算值，進(jìn)而得到兩種模式下軌道半長軸變化量之差的理論預(yù)測值。所述的比較兩種模式下衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差的理論預(yù)測值與實(shí)際觀測值，是將兩種模式下衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差的理論預(yù)測值與實(shí)際觀測值進(jìn)行對(duì)比，如果兩者一致，則驗(yàn)證了理論預(yù)測值的準(zhǔn)確性，從而間接驗(yàn)證了萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，也說明了萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法的有效性。
本發(fā)明的有益效果可以總結(jié)如下
1，本發(fā)明在純引力軌道飛行衛(wèi)星入軌之后的初始化階段，可以利用衛(wèi)星的不同飛行狀態(tài)，對(duì)純引力軌道萬有引力攝動(dòng)這一最主要的攝動(dòng)因素，進(jìn)行在軌驗(yàn)證，為萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法提供檢驗(yàn)。
2，本發(fā)明方法簡單、實(shí)施成本低廉，測量結(jié)果精確。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖
及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
一種空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法，包括步驟如下
步驟I、將純引力軌道飛行衛(wèi)星在模式一下運(yùn)行一定周期，觀測衛(wèi)星軌道，并記錄軌道觀測數(shù)據(jù)；
步驟2、將步驟I中所述的衛(wèi)星繞著沿軌道面徑向的主軸做180°旋轉(zhuǎn)，從而將飛行方向的萬有引力攝動(dòng)反向，形成模式二 ；所述的衛(wèi)星在所述模式二下再次運(yùn)行與步驟I 中相同的周期，同樣精確觀測衛(wèi)星軌道，并記錄軌道觀測數(shù)據(jù)；
步驟3、根據(jù)步驟I和步驟2的軌道觀測數(shù)據(jù)，分別得出兩種模式下的軌道半長軸長期變化，做差，得到兩種模式下的衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差的實(shí)際觀測值；
步驟4、根據(jù)兩種模式下的萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果，通過衛(wèi)星軌道攝動(dòng)方程得出兩種模式下萬有引力攝動(dòng)導(dǎo)致的軌道半長軸變化量計(jì)算值，進(jìn)而得到兩種模式下軌道半長軸變化量之差的理論預(yù)測值；
步驟5、將步驟4所得的理論預(yù)測值與步驟3所得的實(shí)際觀測值進(jìn)行對(duì)比，如果兩者一致，則驗(yàn)證了理論預(yù)測值的準(zhǔn)確性，從而間接驗(yàn)證了萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性， 說明了萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法的有效性；否則，說明萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法無效。
其中，所述的模式一，是指純引力軌道飛行衛(wèi)星飛行方向的萬有引力攝動(dòng)沿著前進(jìn)方向，又稱為標(biāo)稱模式，該模式下萬有引力攝動(dòng)會(huì)使得參考質(zhì)量軌道半長軸逐漸增大；
所述的模式二，是指純引力軌道飛行衛(wèi)星繞著沿軌道面徑向的主軸做180°旋轉(zhuǎn)， 從而將飛行方向的萬有引力攝動(dòng)反向，該模式下萬有引力攝動(dòng)會(huì)使得參考質(zhì)量軌道半長軸逐漸減小。
步驟I中，所述的一定周期，是指15日至I個(gè)月。
所述衛(wèi)星軌道攝動(dòng)方程是指
權(quán)利要求
1.一種空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法，其特征在于，包括步驟如下步驟I、將純引力軌道飛行衛(wèi)星在模式一下運(yùn)行一定周期，觀測衛(wèi)星軌道，并記錄軌道觀測數(shù)據(jù)；步驟2、將步驟I中所述的衛(wèi)星繞著沿軌道面徑向的主軸做180°旋轉(zhuǎn)，從而將飛行方向的萬有引力攝動(dòng)反向，形成模式二 ；所述的衛(wèi)星在所述模式二下再次運(yùn)行與步驟I中相同的周期，同樣精確觀測衛(wèi)星軌道，并記錄軌道觀測數(shù)據(jù)；步驟3、根據(jù)步驟I和步驟2的軌道觀測數(shù)據(jù)，分別得出兩種模式下的軌道半長軸長期變化，做差，得到兩種模式下的衛(wèi)星軌道半長軸變化量之差的實(shí)際觀測值；步驟4、根據(jù)兩種模式下的萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果，通過衛(wèi)星軌道攝動(dòng)方程得出兩種模式下萬有引力攝動(dòng)導(dǎo)致的軌道半長軸變化量計(jì)算值，進(jìn)而得到兩種模式下軌道半長軸變化量之差的理論預(yù)測值；步驟5、將步驟4所得的理論預(yù)測值與步驟3所得的實(shí)際觀測值進(jìn)行對(duì)比，如果兩者一致，則驗(yàn)證了理論預(yù)測值的準(zhǔn)確性，從而間接驗(yàn)證了萬有引力攝動(dòng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，說明了萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法的有效性；否則，說明萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法無效。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法，其特征在于所述的模式一，是指純引力軌道飛行衛(wèi)星飛行方向的萬有引力攝動(dòng)沿著前進(jìn)方向，又稱為標(biāo)稱模式，該模式下萬有引力攝動(dòng)會(huì)使得參考質(zhì)量軌道半長軸逐漸增大；所述的模式二，是指純引力軌道飛行衛(wèi)星繞著沿軌道面徑向的主軸做180°旋轉(zhuǎn)，從而將飛行方向的萬有引力攝動(dòng)反向，該模式下萬有引力攝動(dòng)會(huì)使得參考質(zhì)量軌道半長軸逐漸減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法，其特征在于步驟I中，所述的一定周期，是指15日至I個(gè)月。
4.根據(jù)權(quán)利要求I述的空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法，其特征在于所述衛(wèi)星軌道攝動(dòng)方程是指=-丨2 , [fAnKr ^fmer + fr I1 + Cosfinmr)]其中ainnCT為參考質(zhì)量軌道半長軸，einnOT為參考質(zhì)量軌道偏心率,finner為參考質(zhì)量軌道真近點(diǎn)角，nimOT為參考質(zhì)量軌道角速率；fx為萬有引力攝動(dòng)在參考質(zhì)量軌道徑向上的分量, fy為萬有引力攝動(dòng)在參考質(zhì)量軌道飛行方向上的分量。
全文摘要
一種空間純引力軌道萬有引力攝動(dòng)在軌飛行驗(yàn)證方法，1，將純引力飛行衛(wèi)星在模式一下運(yùn)行一定周期，記錄軌道觀測數(shù)據(jù)，2，將衛(wèi)星繞徑向主軸做180°旋轉(zhuǎn)，作為模式二，再次運(yùn)行與步驟1中相同的周期并記錄軌道觀測數(shù)據(jù)，3，分別得出兩種模式下的軌道半長軸長期變化，做差得到兩種模式下軌道半長軸變化量之差的實(shí)際觀測值；4，通過軌道攝動(dòng)方程，得出兩種模式下萬有引力攝動(dòng)導(dǎo)致的軌道半長軸變化量之差的理論預(yù)測值；5，對(duì)比理論預(yù)測值與實(shí)際觀測值，驗(yàn)證理論預(yù)測值的準(zhǔn)確性。本發(fā)明在純引力飛行任務(wù)初始化階段，利用衛(wèi)星的不同飛行狀態(tài)，對(duì)純引力軌道萬有引力攝動(dòng)這一最主要的攝動(dòng)因素，進(jìn)行在軌驗(yàn)證，為萬有引力攝動(dòng)計(jì)算方法提供檢驗(yàn)。
文檔編號(hào)B64G3/00GK102935898SQ201210506038
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者張育林, 王兆魁, 谷振豐, 范麗, 楊雪榕, 劉紅衛(wèi), 黨朝輝 申請(qǐng)人:清華大學(xué)