基于STK的月球探測任務(wù)分析、設(shè)計與驗證方法

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1、中國空間科學(xué)技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology2010年12月第6期基于STK的月球探測任務(wù)分析、設(shè)計與驗證方法黃文德1郗曉寧2王威1(1國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，長沙410073)(2國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院。長沙410073)摘要為了減少月球探測任務(wù)設(shè)計階段的開發(fā)成本、提高研究效率，提出利用成熟軟件衛(wèi)星工具包(Satellitetoolkit，STK)進行分析、設(shè)計及驗證的一般途徑。首先，討論基于微分改正的月球探測器軌道設(shè)計方法。然后，分析利用STK驗證圓錐曲線拼接法設(shè)計結(jié)果的問題及注

2、意事項。最后，針對STK中月面點、月球車運動設(shè)置不靈活等問題，利用外部文件導(dǎo)入方式進行分析、驗證；在此基礎(chǔ)上，給出月面點光照和測控條件分析方法。仿真結(jié)果表明，所提出的方法可以有效實現(xiàn)STK對月球探測任務(wù)的分析、設(shè)計及驗證。關(guān)鍵詞衛(wèi)星工具包月面點軌道設(shè)計月球探測仿真驗證1引言月球探測任務(wù)分析與設(shè)計屬于月球探測的頂層設(shè)計環(huán)節(jié)[1】，而仿真驗證是檢驗設(shè)計結(jié)果合理性的主要方法之一。由于月球探測所涉及的時空系統(tǒng)、飛行動力學(xué)和光照及測控條件等比較復(fù)雜，使得開發(fā)用于月球探測任務(wù)分析、設(shè)計與仿真驗證的軟件成本較高[2-3]。若能利用現(xiàn)有成熟的軟件或者對

3、現(xiàn)有成熟軟件進行再次開發(fā)，以完成上述分析與設(shè)計等任務(wù)，則將能夠減少開發(fā)成本、提高研究效率。衛(wèi)星工具包(Satellitetoolkit，STK)強大的仿真計算和圖文輸出功能，使其成為航天工業(yè)領(lǐng)先的仿真軟件[4-6】。但STK在月球探測任務(wù)分析、設(shè)計與仿真驗證方面的功能還沒有得到充分的應(yīng)用。原因可能是多方面的，如STK5．0等版本在以月球為中心體的衛(wèi)星、星下點軌跡、月面點等設(shè)置上的相對不靈活，在很大程度上限制了STK在月球探測分析、設(shè)計與仿真驗證的應(yīng)用。本文基于STK5．0提供的基本功能模塊，利用STK自身的靈活性對其進行功能模塊的再次開

4、發(fā)和功能重組，目的是更好的實現(xiàn)STK在月球探測任務(wù)分析、設(shè)計與仿真驗證等方面的功能。為了利用STK進行分析與設(shè)計，本文將月球探測任務(wù)作如下適當(dāng)簡化：1)設(shè)計一條由地球停泊軌道入軌的地月轉(zhuǎn)移軌道；2)在近月點處減速形成環(huán)月軌道，并在環(huán)月軌道上運行數(shù)圈后到達著月點；3)分析著月點的光照條件和地面測控條件。在此基礎(chǔ)上，提出利用STK進行月球探測器軌道設(shè)計、仿真驗證、光照和地面測控條件分析等一整套方法。著重解決具有廣泛應(yīng)用背景的雙二體假設(shè)的STK驗證、月面點和月球車的設(shè)置與分析等難點問題。收稿日期：2010-04—29．收修改稿日期：2010-

5、07—232010年12月中國空間科學(xué)技術(shù)2月球探測器軌道設(shè)計月球探測器的軌道一般需要滿足一定的設(shè)計目標(biāo)，如近月點高度、軌道傾角等。微分改正是滿足軌道設(shè)計要求的一種有效方法。(1)基于微分改正的軌道設(shè)計原理對于目標(biāo)函數(shù)F(口)，其關(guān)于自變量"在口。處的泰勒級數(shù)展開為f1№)一F0+悟}面d"F(壙礦ILl口2730J式中可，為730鄰域內(nèi)的任一點；Fo為目標(biāo)函數(shù)在掣。處的值；F。為目標(biāo)函數(shù)在u。處的值。由于上述展開式比較復(fù)雜，難以得到解析解，故只取一階項，得：Fl(口I)≈Fo+TdP(口l—Vo)由微分的定義，可得：F7。=籌≈魯{妻

6、一可?！?do+學(xué)=‰+(FT—F0)[F7。]一-(1)dU口1一口o，1式中FT為需要達到的目標(biāo)。由式(1)可知，到達目標(biāo)FT所需的口?？梢杂梢阎腣O、F。以及導(dǎo)數(shù)F7。得到?！我籨F一1：．一F(口+艿口)一F(")，l2而Ci2嬲———葛■一U6儼·0dU對于給定目標(biāo)FT，對上述過程進行迭代，則可以得到到達目標(biāo)．FT所需的口。。上述過程對于雙元函數(shù)同樣適用，設(shè)A、B分別為關(guān)于函數(shù)f(x，3f)和g(x，3，)的設(shè)計目標(biāo)，則總可以表示為f(x+Ax，Y+hy)=A1g(x+Ax，Y+Ay)=BJ式中Ax、Ay分別表示自變量z、Y

7、的增量。若令zI=z。+缸，Yl一弘-FAy，則有：引≈訃一of—of]叫扯ayagazay、AB叫--f(zx，,；；)=引+∥A一--?f(x一，,；；)㈣根據(jù)式(2)不斷迭代(z，y)，最終可以得到滿足A、B的解。對于月球探測任務(wù)，其設(shè)計目標(biāo)一般是近月點高度、環(huán)月軌道傾角等；其設(shè)計的變量是地月轉(zhuǎn)移加速所需的速度沖量、飛行時間等。(2)利用STK／Astrogator進行軌道設(shè)計的方法STK／Astrogator具有軌道預(yù)報、機動、軌道搜索等功能，是STK強大設(shè)計功能的具體支撐模塊‘71。由于其支持以月球為中心的軌道設(shè)置、預(yù)報和設(shè)計

8、，因此，也是STK中能夠?qū)崿F(xiàn)月球探測任務(wù)分析、設(shè)計與驗證的主要功能模塊。利用STK／As”ogator進行軌道設(shè)計涉及到如下幾個方面：初始條件的設(shè)置、目標(biāo)的選取和設(shè)置、軌道預(yù)報設(shè)置(積分器、預(yù)報時間、結(jié)束條