一种观测日冕的航天器系统及日冕观测方法

技术领域

本发明涉及卫星观测技术领域，尤其涉及一种观测日冕的航天器系统及日冕观测方法。

背景技术

日冕层属于太阳的外层大气，是环绕于太阳周围的高温稀薄等离子体，其厚度可达数百万千米，并可通过太阳风等活动影响日地空间环境和近地空间天气。日冕层中存在耀斑、日珥、日冕物质抛射等丰富的物理现象，观测日冕有助于解决太阳风起源和加速、日冕反常加热等目前太阳物理中存在的诸多难题，具有深刻的科学意义。而由于日冕层在可见光波段内的亮度极弱，在自然条件下，只有出现日全食的时候才能观测日冕，而日全食很少发生。利用人工设计的仪器——日冕仪进行观测，又受到日冕仪光学系统中的杂散光等多种影响，日冕观测能力受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种观测日冕的航天器系统及日冕观测方法，解决了卫星长期维持在地影区域的能源问题，实现了对日冕的长时间连续观测。

为了达到上述目的，本发明提供一种观测日冕的航天器系统，包含：通过系绳连接的卫星和太阳帆，所述卫星携带日冕观测器，所述卫星布局于地球本影区内，所述太阳帆置于半影区内。

本发明还提供一种利用所述的观测日冕的航天器系统进行的日冕观测方法，包含以下步骤：

步骤S1、根据太阳和地球的相对位置关系，建立圆锥形地影模型，求解地球本影区与半影区区域；

步骤S2、组建观测日冕的航天器系统，将携带日冕观测器的卫星布局于地球本影区内，太阳帆置于半影区内，卫星与太阳帆通过系绳连接；

步骤S3、建立日地圆型限制性三体问题动力学模型，在三体模型下求解卫星位置保持所需的绳系拉力，并根据系绳长度及其方向，确定太阳帆在半影区的具体位置；

步骤S4、根据太阳帆在圆型限制性三体问题中的受力，求解维持太阳帆稳定运动所需的太阳光压力；

步骤S5、建立太阳帆太阳光压力模型，根据太阳帆维持运动稳定所需的太阳光压力，求解提供该光压力所需的太阳帆姿态角与面质比。

所述步骤S1包含：将地球和太阳均视为球体，此时地影区域为圆锥形投影，S表示太阳，R

建立日地旋转坐标系：原点取在双星的公共质心，x轴由太阳指向地球，z轴垂直于双星的轨道平面并与旋转方向一致，y轴由右手坐标法则确定，在日地旋转坐标系中，以日地距离为单位长度，则P点坐标为[1.009235，0，0]

所述步骤S2包含：在本影区内选择C点，在日地旋转坐标系坐标为C：[1.0091393，4e-7,0]

所述步骤S3包含：

考虑理想CR3BP模型，携带日冕仪的卫星只受太阳引力，地球引力，以及绳系拉力，其动力学方程为：

其中，

U

根据卫星处于平衡状态，可得

根据绳系拉力方向a

所述步骤S4包含：

绳系另一端的太阳帆受太阳引力，地球引力，绳系拉力以及太阳光压力，其动力学方程为：

其中，

U

根据太阳帆平衡时，即

所述步骤S5包含：

太阳帆在某点处所受的太阳光压力为：

n＝[sinαcosγ sinαsinγ cosα]

其中，

根据锥角α与钟角γ的定义可得：

面质比β的计算公式为：

通过上述公式，可求解出绳系链接状态下所需的太阳帆姿态角与面质比，即，Θ＝[α γ β]

本发明与现有技术相比的优点在于：

通过地影模型将携带日冕观测仪的卫星发射至地球本影区，使地球位于太阳和卫星之间遮挡全部或部分太阳光，形成地球-卫星超大尺度日冕仪，可实现长时间、高质量的日冕观测。

引入无质损太阳帆航天器，其无需燃料，仅需调节自身姿态与面质比即可获得额外推力，且本发明利用系绳补偿卫星的日地引力不平衡，总方案具有燃料消耗少的优点。

附图说明

图1为本发明中在圆锥形地影模型的基础上求解的全影区与半影区示意图；

图2为本发明中卫星-太阳帆绳系系统在地影模型中的布局简易图；

图3是本发明中卫星-太阳帆绳系系统日地旋转坐标系中的动力学模型；

图4是本发明中太阳帆的姿态角示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

欧空局(ESA)计划于2023年发射双小卫星系统Proba-3，进入地球60530km×600km大椭圆轨道，两颗卫星相距百米级，通过高精度编队飞行，可使二者虚拟为一台长达150m的日冕仪，他们将在20小时的轨道周期中阻挡一次太阳6个小时，在该时段内可对太阳的内部日冕成像，并获得黄巨星附近区域的近景。该任务要求两颗小卫星在百米级距离内保持毫米和角秒级的编队精度，对卫星的星间精密测量与精密控制提出了极大挑战。

根据文献调研可知，专利CN112487647.A提出了一种新的日冕观测的轨道设计方法，通过发射携带日冕观测仪的卫星至位于日-地连线上的特定位置的观测轨道，进行日冕观测。该方法只需要发射一个携带日冕观测仪的卫星即可，但由于探测器需长期保持在地球阴影区，需要额外推力来进行补偿，对能耗提出巨大挑战。

本发明提供一种观测日冕的航天器系统，包含：通过系绳连接的卫星和太阳帆，所述卫星携带日冕观测器，所述卫星布局于地球本影区内，所述太阳帆置于半影区内。

本发明还提供一种基于观测日冕的航天器系统的日冕观测方法，包含以下步骤：

步骤S1、根据太阳和地球的相对位置关系，建立圆锥形地影模型，求解地球本影区与半影区区域。

将地球和太阳均视为球体，此时地影区域为圆锥形投影，S表示太阳，R

本影区与半影区如图1所示，其中，本影区为深灰色区域，半影区为浅灰色区域，本影区圆锥半角α约为0.264°，半影区圆锥半角β约为0.269°。

建立日地旋转坐标系：原点取在双星的公共质心，x轴由太阳指向地球，z轴垂直于双星的轨道平面并与旋转方向一致，y轴由右手坐标法则确定，在日地旋转坐标系中，以日地距离为单位长度，则P点坐标为[1.009235，0，0]

步骤S2、如图2所示，组建观测日冕的航天器系统，将携带日冕观测器的卫星布局于地球本影区内，太阳帆置于半影区内，卫星与太阳帆通过系绳连接。

在本影区内选择C点，在日地旋转坐标系坐标为C：[1.0091393，4e-7,0]

步骤S3、建立日地圆型限制性三体问题动力学模型，如图3所示，在三体模型下求解卫星位置保持所需的绳系拉力，并根据系绳长度及其方向，确定太阳帆在半影区的具体位置。

在三体模型中，只有五个拉格朗日点是平衡点，即卫星在太阳引力，地球引力下，无法在其他点处维持自然平衡，需借助系绳张力以平衡其引力不平衡。

考虑理想CR3BP模型，携带日冕仪的卫星只受太阳引力，地球引力，以及绳系拉力，其动力学方程为：

其中，

U

根据卫星处于平衡状态，可得

步骤S4、根据太阳帆在圆型限制性三体问题中的受力，求解维持太阳帆稳定运动所需的太阳光压力。

绳系另一端的太阳帆受太阳引力，地球引力，绳系拉力以及太阳光压力，其动力学方程为：

其中，

U

根据太阳帆平衡时，即

步骤S5、建立太阳帆太阳光压力模型，根据太阳帆维持运动稳定所需的太阳光压力，求解提供该光压力所需的太阳帆姿态角与面质比。

太阳帆在某点处所受的太阳光压力为：

其中，

如图4所示，根据锥角α与钟角γ的定义可得：

面质比β的计算公式为：

/>

通过上述公式，可求解出绳系链接状态下所需的太阳帆姿态角与面质比，即，Θ＝[α γ β]

目前太阳帆的面质比理论上最高可达0.1，本算例中的太阳帆面质比0.0562在其范围之内。

本发明与现有技术相比的优点在于：

通过地影模型将携带日冕观测仪的卫星发射至地球本影区，使地球位于太阳和卫星之间遮挡全部或部分太阳光，形成地球-卫星超大尺度日冕仪，可实现长时间、高质量的日冕观测。

引入无质损太阳帆航天器，其无需燃料，仅需调节自身姿态与面质比即可获得额外推力，且本发明利用系绳补偿卫星的日地引力不平衡，总方案具有燃料消耗少的优点。

需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。