太陽同步軌道衛(wèi)星空間熱流分析

吳曉迪，孫云輝，李 秩

(1.紅外與低溫等離子體安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230037;2.脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室,安徽 合肥 230037;3.電子工程學(xué)院,安徽 合肥 230037;4.65040部隊,遼寧 沈陽 110181;5.73677部隊,江蘇 南京 210000)

·紅外技術(shù)及應(yīng)用·

太陽同步軌道衛(wèi)星空間熱流分析

吳曉迪1，2，3，孫云輝4，李 秩5

(1.紅外與低溫等離子體安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230037;2.脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室,安徽 合肥 230037;3.電子工程學(xué)院,安徽 合肥 230037;4.65040部隊,遼寧 沈陽 110181;5.73677部隊,江蘇 南京 210000)

衛(wèi)星空間熱流的計算是衛(wèi)星可見光特性與紅外特性分析的基礎(chǔ),本文首先建立了基于蒙特卡洛法的衛(wèi)星空間熱流計算模型,然后計算了太陽同步軌道對地三軸穩(wěn)定衛(wèi)星在軌運行一個周期內(nèi)所接受的空間熱流,最后對衛(wèi)星的空間熱流計算結(jié)果進行了詳細分析,研究結(jié)果對于空間目標可見光特性與紅外特性研究具有參考價值。

地球衛(wèi)星；空間熱流；蒙特卡洛法；可見光特性；紅外特性

1 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對空間系統(tǒng)的高度依賴,導(dǎo)致空間攻防對抗日益激烈,基于衛(wèi)星可見光和紅外特性的光學(xué)探測手段,已經(jīng)成為空間對抗技術(shù)中探測跟蹤目標的重要方式[1,2],而衛(wèi)星在軌運行時的空間熱流計算是分析其可見光與紅外特性的基礎(chǔ)[3-5]。文章建立了基于蒙特卡洛法的衛(wèi)星空間熱流計算模型,計算并分析了太陽同步軌道對地三軸穩(wěn)定衛(wèi)星在軌運行一個周期內(nèi)所接受的空間熱流,為衛(wèi)星可見光與紅外特性的研究奠定了基礎(chǔ)。

2 衛(wèi)星太陽熱流計算

本文研究對象為太陽同步軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星,在日照區(qū)時衛(wèi)星太陽翼電池面始終面向太陽,并與太陽方向向量垂直,如圖1所示。其中坐標系So’為第二軌道坐標系,原點Oo’在衛(wèi)星的質(zhì)心；軸Xo’在軌道平面內(nèi),垂直于地心距矢量向前；軸Zo’在軌道平面內(nèi),指向地心；軸Yo’垂直于軌道平面；nS_o′為第二軌道坐標系中的太陽方向向量。坐標系Sc為太陽翼本體坐標系,原點Oc為太陽翼與星體的鉸接點,Zc軸正方向為太陽翼電池面的外法線方向。

圖1 三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的三維模型

利用蒙特卡洛法計算衛(wèi)星接收的太陽熱流時,首先要建立光束的發(fā)射坐標系Sm1和發(fā)射平面,然后隨機發(fā)射光束并記錄光束與衛(wèi)星劃分面元的相交情況,最后統(tǒng)計各面元的交點數(shù)計算各面元的太陽熱流,具體步驟如下:

(1)以第二軌道坐標系So’中太陽方向向量nS_o′的方向作為發(fā)射坐標系Sm1的Zm1軸正方向,發(fā)射平面位于第二軌道坐標系原點與太陽位置之間,發(fā)射平面與向量nS_o′垂直且與坐標原點的距離要滿足衛(wèi)星各部分與發(fā)射平面不相交。從第二軌道坐標系不平行于向量nS_o′的坐標軸中選擇一個,沿nS_o′方向投影到發(fā)射平面,投影交線為發(fā)射坐標系的Xm1軸。

(2)在確定了發(fā)射坐標系后,可以求得發(fā)射坐標系Sm1中各個坐標軸與第二軌道坐標系So’中各個坐標軸的夾角余弦值,根據(jù)得到的夾角余弦值可以確定從第二軌道坐標系So’到發(fā)射坐標系Sm1的坐標變換矩陣如下

(1)

式中,Xm1軸與坐標系So’中各個坐標軸的夾角余弦為[xm1_o′·xo′,xm1_o′·yo′,xm1_o′·zo′];Ym1軸與各個坐標軸的夾角余弦為[ym1_o′·xo′,ym1_o′·yo′,ym1_o′·zo′];Zm1軸與各個坐標軸的夾角余弦為[zm1_o′·xo′,zm1_o′·yo′,zm1_o′·zo′],其中xo′、yo′和zo′為坐標系So’中Xo’、Yo’和Zo’正半軸的單位方向向量,xm1_o′、ym1_o′和zm1_o′為坐標系Sm1中Xm1、Ym1和Zm1正半軸在第二軌道坐標系So’中的單位方向向量。

(3)在發(fā)射平面上沿Xm1和Ym1軸建立長方形的發(fā)射區(qū)域,且發(fā)射區(qū)域要大于衛(wèi)星沿nS_o′方向在發(fā)射平面上的投影區(qū)域,在發(fā)射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生隨機發(fā)射點,則發(fā)射光束就是過該點以nS_o′為方向向量的直線。利用坐標轉(zhuǎn)換和坐標平移將隨機發(fā)射點坐標分別轉(zhuǎn)換到第二軌道坐標系So’和太陽翼本體坐標系Sc中,計算發(fā)射光束與衛(wèi)星本體和太陽翼各劃分面元的交點,保留和發(fā)射點之間距離最近的有效交點。統(tǒng)計衛(wèi)星各面元的交點數(shù)N和總的發(fā)射光束數(shù)Nsum,則面元接收的太陽熱流密度為:

(2)

式中,A1為發(fā)射區(qū)域的面積;A2為衛(wèi)星面元的面積;ES為大氣層上邊界處垂直于太陽光線的表面上的太陽輻射熱流密度[6]。

3 衛(wèi)星地球熱流計算

對于衛(wèi)星表面面元dA,其接收的地球輻射熱流EE可以表示為:

(3)

式中,ME為地球輻射出射度[7];AE為地球表面面積[7];FAE→dA為地球到衛(wèi)星表面面元dA的角系數(shù)。

由角系數(shù)互換性AEFAE→dA=dAFdA→AE可得:

EE=MEFdA→AE

(4)

式中,FdA→AE為衛(wèi)星表面面元dA到地球的角系數(shù)。

圖2 FdA→AE計算的光束發(fā)射坐標系

4 計算結(jié)果與分析

衛(wèi)星太陽翼電池面在日照區(qū)時始終對日定向,而在地影區(qū)時與-Zo’軸具有相同指向,始終對天；軌道參數(shù)如下,軌道半長軸a=7000km,軌道偏心率e=0,升交點赤經(jīng)Ω=0 °,軌道傾角i=97.887°,近地點幅角ω=0°；時間為春分日,此時衛(wèi)星軌道面與太陽方向向量的夾角為0°；選擇降交點作為衛(wèi)星軌道周期的起始點,將一個軌道周期均分為600個時間段,得到600個時刻,當衛(wèi)星在時刻0、150、300、和450時,分別位于軌道周期的起始點、1/4周期、1/2周期和3/4周期處,如圖3所示；當衛(wèi)星在時刻113至487時,位于日照區(qū),在時刻0至112和時刻488至600時,位于地球陰影區(qū)。

圖3 衛(wèi)星在太陽同步軌道的四個位置

圖4為衛(wèi)星外表面一個軌道周期的空間熱流密度,圖中橫坐標為一個軌道周期所劃分的時刻序列,縱坐標為空間熱流密度。

從圖4 (a)至圖4(h)中星體各面、太陽翼向陽面和背陽面接收的空間熱流可知:

(1)太陽方向向量在衛(wèi)星軌道平面內(nèi),導(dǎo)致星體±Yo’面的太陽熱流為0。+Xo’面在出地影區(qū)后至1/2周期處前均有太陽熱流的作用,在1/4周期處時其太陽熱流達到最大值。-Xo’面與+Xo’面接收太陽熱流的過程正好相反,在經(jīng)過1/2周期處后至進入地影區(qū)前均有太陽熱流,在3/4周期處時其太陽熱流最大。始終對地的+Zo’面只有在兩個較少的時間段內(nèi)接收到太陽熱流,一個是在出地影區(qū)后至1/4周期處前,另一個是在經(jīng)過3/4周期處后至進入地影區(qū)前。始終朝天的-Zo’面在經(jīng)過1/4周期處后至3/4周期處前的較長時間范圍內(nèi)接收到太陽熱流,在1/2周期處時其太陽熱流達到最大值。同時還可以看出,±Xo’面和-Zo’面所接收的太陽熱流最大值相同,均大于+Zo’面接收到的最大太陽熱流,這是由于±Xo’面和-Zo’面在太陽熱流達到最大值時,它們的表面與太陽方向向量垂直,而+Zo’面在太陽熱流最大時,其表面和太陽方向向量保持一定的夾角而并不與之垂直。

圖4 衛(wèi)星表面的空間熱流密度

(2)星體-Zo’面始終朝天,其接收的地球輻射熱流和地球反照熱流均為0?！繶o’面和±Yo’面具有相同的地球輻射熱流和地球反照熱流,而+Zo’面接收的地球輻射熱流和地球反照熱流均大于±Xo’面和±Yo’面,這是因為水平朝向地面方向的表面所接收的地球輻射熱流和地球反照熱流要大于豎直于地面方向的表面。同時還可以看出,只有當太陽照亮的地球表面區(qū)域?qū)πl(wèi)星可視時,星體面才有地球反照熱流的作用,并且當衛(wèi)星運行到日照區(qū)中心即1/2周期處時,反照熱流對星體面的作用達到最大值。

(3)太陽翼向陽面(電池面)在日照區(qū)對日定向,其接收的太陽熱流不變,始終保持最大；太陽翼的轉(zhuǎn)動使得向陽面與地球表面之間的相對朝向不斷變化,所以在日照區(qū)時向陽面接收的地球輻射熱流也不斷變化,在剛出地影區(qū)和快要進入地影區(qū)時,接收的地球輻射熱流達到最大,在1/2周期處時接收的地球輻射熱流為0；太陽翼的轉(zhuǎn)動也使得向陽面接收的地球反照熱流很小。在地影區(qū)向陽面始終朝天,沒有地球輻射熱流的作用。

(4)太陽翼背陽面在地影區(qū)始終對地,其接收的地球輻射熱流不變；在日照區(qū)始終背陽,其接收的太陽熱流始終為0,同時由于太陽翼的轉(zhuǎn)動,其接收的地球輻射熱流和地球反照熱流在日照區(qū)時不斷變化,背陽面在1/2周期處接收的地球輻射熱流和地球反照熱流最大。

5 結(jié) 語

首先建立了基于蒙特卡洛法的衛(wèi)星空間熱流計算模型與太陽同步軌道對地三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的幾何模型,然后計算了衛(wèi)星在軌運行一個周期內(nèi)所接受的空間熱流,最后對衛(wèi)星各表面所接收空間熱流的變化及其原因進行了詳細分析,研究結(jié)果對于空間目標可見光特性與紅外特性的研究具有參考價值。

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Spatial heat flux analysis of a satellite in the sun-synchronous orbit

WU Xiao-di1,2,3,SUN Yun-hui4,LI Zhi5

(1.Key Laboratory of Infrared and Low Temperature Plasma of Anhui Province,Hefei 230037,China;2.State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology,Hefei 230037,China;3.Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China;4.65040 Army Unit,Shenyang 110181,China;5.73677 Army Unit,Nanjing 210000,China)

The spatial heat flux calculation of a satellite is the basis of its visible and infrared feature analysis.Firstly,the spatial heat flux calculation models based on Monte-Carlo method are established.Secondly,the spatial heat flux of a three-axis stabilized satellite in the sun-synchronous orbit is calculated in one circle.Finally,the calculation results of spatial heat flux are analyzed in detail.The research results have reference value for the visible and infrared feature analysis of spatial targets.

earth satellite;spatial heat flux;Monte-Carlo method;visible feature;infrared feature

吳曉迪(1980-)，男，講師，主要研究方向為目標與背景的紅外特征與紅外熱像仿真。E-mail:wuxiaodi195@sina.com

2014-10-22

1001-5078(2015)07-0805-04

V231.95;TN21

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.015