月球上的三眼女尸_月球衛(wèi)星軌道力學(xué)綜述
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第2 1卷
第 4期
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學(xué)
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展
V1 1 o. , 2
20 0 3年 1 2月
PROGRES I AS S N TRONOM Y
De c
2. 04 N 0 3 o
月球 衛(wèi) 星 軌 道 力 學(xué)綜 述
劉 林
摘
王 散
要
( 京大 南 學(xué)天文系 南京 209) 103
月球探側(cè)器的運動通?煞譃 3個階段,這 3個階段分別對應(yīng) 3種不同類型 的軌道,近地停
泊軌道、 向月飛行的過渡軌道與環(huán)月飛行的月球衛(wèi)星軌道. 近地停泊軌道實為一種地球衛(wèi)星軌道;
過渡軌道 則涉及不同的過渡方式 ( 大推力或小推力等) 環(huán)月飛行的月球衛(wèi)星軌道則與地球衛(wèi)星軌 ;
道有很多不同之處, 它決不是地球衛(wèi)星軌道的簡單克。 針對這一點, 全面闡述月球衛(wèi)星的軌道力
學(xué)問題, 特別是環(huán)月飛行中的一些熱點問 如軌道攝動解的構(gòu)造、 題, 近月點高度的下降及其涉及的
衛(wèi)星軌道壽命、 各種特殊衛(wèi)星 〔 如太陽同 步衛(wèi)星和凍結(jié)軌道衛(wèi)星等) 的軌道特征、 月球衛(wèi)星定軌等.
關(guān) 健 詞 分 類 號
天體力學(xué) 一 月球衛(wèi)星軌道力學(xué) 一 綜述
P1 9 3
軌道壽命 一 凍結(jié)軌道
1 引
言
月球是一個慢自 轉(zhuǎn)天體, 其質(zhì)量不大, 只有地球質(zhì)量的1 0 故月球衛(wèi)星運動所處的 / , 8 力
學(xué) “ 環(huán)境”與地球衛(wèi)星有很多不同之處,主要差別在于:
(由 1 于月球自 ) 轉(zhuǎn)慢, 它的自 轉(zhuǎn)周期和其繞地球運動的 公轉(zhuǎn)周期相等, 約為2. , 7 d 這就導(dǎo) 3 致月 球引力位中 各階次諧系數(shù)的 差別不像地球引力位那樣, 地球的扁率項系數(shù) J =。保 2 ( 3, O0
其它 數(shù)基本上 于。J ) 量級; 球的 率項 諧系 相當(dāng) ( 2的 2 而月 扁 系數(shù)J只有1- 的 2 04 量級, 它諧 其
系數(shù)與 J 2的差別不明顯.
( 即使對于低軌月球衛(wèi)星, 2 ) 地球引力攝動也幾乎與月球非球形引力攝動相當(dāng)、 而不像低 軌地球衛(wèi)星那樣,日 月引力攝動遠小于地球非球形引力攝動 ( 、 確切地說應(yīng)是扁率項攝動 . ) ( 月球表面不存在稠密的大氣層,月球衛(wèi)星的運動無能量耗散問題. 3 ) 上述幾個差別導(dǎo)致月球衛(wèi)星的環(huán)月運動特征在很多方面不同于地球衛(wèi)星,這給我國將要 進行探月工程的月衛(wèi)軌道設(shè)計提出了一些新問題.為了讓讀者看清月球引力位的特點,這里 分別列出 兩種模型, 即地球引力場模型 ( M 3 和一種月球引力場模型 ( 1 ) 部分諧系 J -) G L 6 的 P 5
國 然 學(xué) 金 家自 科 基 項目( 130) 助 題 1 706 資 課 0
特約稿 20-12 0 30-6收到 20-61 030-6收到修定 稿
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數(shù)( 1 見表 、表 2 . )
表 1 地球引力場摸型 (GM- )的部分諧系數(shù) J 3
, 土 八月 5 」1 9
。 1 。 。 1 i c . f a ct o
0 0 0 0 0 0 00。 。 0 0 00 0 x。 刀 0 0 5 109 8 8 0。 6 。 75 08 0 x。 月 0 06 59 78 5 3。 。 88 96 4 x - .8 0 09 2 9 14 2 2。 7 。 24 6 3 3 x - . 0 0 02 8 0 0 5 0 5。 7 。 56 9 0 8 x - .7 0
1 3 5 1才 9
2 4 6 8 10 12 14 托 18 20
- .8 194 4 6 7。 - 04 4 65 8 5 4 x 3 0 0 7 7 63 70。 6 。 70 8 5 3 x - 石3 0
- . 975 180 x。 01 6 16764 0 6 4 1
04 10 3 7 74 7 。 80 14 3 x1 - .9 0
05 34 5382 0 7 。保埃矗罚 1 x。 . 4 1 0 6 246 39 x。 830260 0 7 .3 3 1
- .10 8 14 2 3。 - 028 36 5 70 x 7 0 - .4 0 3 08 42。 - 053 22 8 4 3 x 0 07 9 8 60 26。 。 14 0 74 x - .2 0 0 8 9 64 7 7。 7 7 9 8 5 9 7 x。 注8 0
- . 11 15 58 x。 05 6 3 4 9 68。 7 0 0 0 9 4 4 83 6 3。 7 。 62 7 18 x。 忍 0 03 55 0 2 19 6 。 9 1 96 8 x1- .1 0 0 0 3 55 8 5。 7 。保 70 9 0 x - 注8 0 - . 15 0 0 8 9 x - 03 8 5 39 0 8。 8 5 0
表 2 月球引力場模型 (P1句 的部分諧系數(shù) L 6
1 3 5
00 0 00 00 0 0。 。 0 0 0 00 0 x。 . 0 0 -03 05 10 3 0 0 x - .2 39 4 00 00。 5 0 -02 50 80 80 0 x。 .1 73 2 62 00。 6 0 05 2 17 78 00。 5 。玻 1 8 20 0 x。 . 6 0
8 。保 。 。 , 工 , 土 。 。 0 8 R 4 山 勺 0 6 4
2
- .8 0 8 7 0 0 0 0 1 - 009 10 5 6 0 0 x 0 0 7 0 5 1 20 0。 。 3 9 7 70 0 x - 忍1 0 03 5 8 6 日6 0 0。 5 。 7 0 16 0 0 x - .7 O 02 6 9 60 2 0 0。 5 。 4 98 10 0 x - .3 0 - .3 10 32 60 0。 - 09 14 73 6 0 0 x 0 - .9 7 9 3 4 0 0 0。 - 013 38 4 2 0 0 x 0 03 0 2 70 50 0。 5 。 76 0 9 0 0 x - .2 0 0 0 17 58 0 0 0 0 6 。 11 3 2 0 0 x - . 4 1 - .8 5 6 74 6 0 0。 - 03 4 50 2 6 0 0 x 0 0 05 7 56 5 70 0。 5 。 16 2 7 0 0 x - .2 0
7 g n 13 15 竹 拍
- . 5 0 3 2 50 0 x - 03 5 3 8 96 0 0。 5 0 -09 5 3 86 39 9 x - . 3 11 7 7 9 9。 - 7 0 02 14 5 12 00。 6 。 1 16 4 0 0 x - -7 0 - .3 06 6 62 0 0。保 050 0 8 12 0 0 x 7 0 -01 56 9 7 90 0 x - . 4 0 16 1 00。 5 0 0 - .9 6 3 8 16 0 0。保 016 4 50 8 0 0 x 7 0
針對探月工程的需要,本文將闡述如下一些熱點問題:
( 影響月球衛(wèi)星軌道變化的 1 ) 主要攝動源及其力學(xué)模型的合理選擇; ( 月球衛(wèi)星軌道攝動解的 2 ) 構(gòu)造; (由 3 子月球無大氣, ) 月球衛(wèi)星環(huán)月飛 行過程中 無能量耗散, 不會像低軌地球衛(wèi)星那樣軌 道不斷變小變圓, 而最終落入地球稠密大氣層被燒毀, 結(jié)束其軌道壽命. 那么月球衛(wèi)星是否會
因其它原因落到月球上結(jié)束其軌道壽命?
( 月球衛(wèi)星環(huán)月飛行是否存在太陽同 4 ) 步軌道和月球同 步軌道? ( 月球衛(wèi)星凍結(jié)軌道存在的狀況以及它是否能保持; 5 ) ( 月球衛(wèi)星的 6 ) 精密定軌。
Z 月球衛(wèi)星運動的主要攝動源及力模型的合理選擇
以 低軌( 平均高度h。 0 k ) = 1 030 月球衛(wèi)星為 m 例,對各攝動源的 攝動量級進行分析顯然
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具有實際意義 為了 便于分析,與地球衛(wèi)星情況類似,分別采用如下長度、質(zhì)量和時間單位
匡』 =凡 =13. 0 月球赤遭半徑 , 78 0 k 0 m I = 月球質(zhì)量, Ml O M 對應(yīng)月心引力常數(shù)G , Mo
() 1
口 (e G o/、126mn 0 .0 。 卜 R M )2 74 i1 49 ) 3 I 1 . 5。 37 6
相應(yīng)地,有 G=1 “ M: 。 , =G 二1 在歷元( 0. 月心夭球坐標(biāo)系( 。埃 ) J 0 2 即月心平赤道坐標(biāo)系, 見圖1中, ) 衛(wèi)星運動方程如下
f
于
rl 、 幾
t0
=F 喲+。,,的 o F TTt Q ; ; ( ) oIt =戶 ,亡 =T,( ) 。 。 'o '
() 2
或用橢圓根數(shù)來表示,即
b (t) 二f ,E, a;
t:( ) o o Qt =v o
() 3
其中 r、 戶和 T分別為衛(wèi)星的月心 位置矢量、 速度矢量和加速度矢量, 而
。 d ,。酰停 是6 =(e, , , , T 個開普 s ' 0 勒軌
道根數(shù)。
方程 ( 中的右函 f ,E 由 3 ) 數(shù) (t) o; 方程( 中的攝動加速度 F 形成 F 2 ) 。 o
和 F 分別為 二
圖 1 月』天球坐標(biāo)系 合
拜 1 F = 一3 =一 3 () 4 ,V rr ,
F一 j,t ) 。 藝F(T; T, j E
j =1
() 5
攝動加速度 F 求和中 j ,, . 即對應(yīng)各種攝動源 攝動源包含下列 1 。 = . , 12 . N 0類
( 月球非球形引力攝動 ( ; , S, G , j,。 1 1 ) J 2 2; , I F ; 2 2, G 2 S > - ) ( 地球引力攝動 〔1 2 1; 2 ) - ) ( ) F- ( 太陽引力攝動 (玉 3 z; 3 ) 。 ) ( ) F - ( 月球固 體潮攝動 ( J F ( J ; 4 ) k 2 4 22 2 ) k ) ( 月球物理天平動 ( P- 5 , 丁 ; 5 ) - , ( p ) ,。 - , F ( 太陽 6 ) 光壓攝動 F 扣 ) 6 。; ( 月球扁率間接攝動 F ( 左 ; 7 ) 7 幾) m ( 地球扁率攝動 F ( m ) 8 ) 8 s i; J ( 大行星 金星、 ( 9 ) 木星) 攝動F ('; 引力 g 3 - ) () 1 月球引力后牛頓效應(yīng) Fo 2 2 0 iv/ ) ( c 對于低軌月球衛(wèi)星,上述各攝動源對應(yīng)的 攝動量級 E 7 , . 0分別為 1 = . 1 ( 1 ,) .
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( 6 ') 1 4,E( 2=0 1 5,E( -S l。 ( -- 05; ( -) 1J) ( -) 1 a,a,>。剑 1 1 1-) 1 17 =0 0 ) 2 ( 2 0 0 - 3 0 J ( E=01 5; 。 -) 22 ) 0 ( E=01 7; 。 -) 33 ) 0 ( E=01 7; 。 -) 4 4 ) 0 ( E=01 8; 。 -) 55 ) 0
(E= - , 一 面 ( m = 的 星(/) 1。耄健。玻 。 ) 應(yīng) 般 質(zhì)比 S )。 衛(wèi) (二 =。 g。 7。 6 n。 9 對 ) 01 / 1 0 S m/ 23 10 . 0 }( 7 =(m 1 0 1 對 球( ) m/ 。 0k = 0, 地 Sm =1。耄剑保 x -。 * n 4 0 g 8 S ) / 2 ) / 2 g .8 1' / ) 4 6。 ( 0 S =(m/ 0k 0 ; 。剑保 7 1 0 1 2 g 0 )
( :=01 1 。 -1; 7 : ) 0 ) ( :二01 1 ; 。 - ) 8 , ) 02 ( :=01 1 ; 。 - ) 9 。 ) 02
( ),=01 1 。 ( ' ) 1。 0 。 01
根據(jù)以上量級分析,對于不同的需求即可選擇出合理的力模型,如:
( 對于一般的軌道分析, 1 ) 只要考慮月球非球形引力和地球引力攝動即可; ( 對于外推 d 1 甚至 2 ( 2 ) d 低軌衛(wèi)星運動弧段 S 0) 位置精度要求優(yōu)于 1 、1 、 2 k m的軌
道,也只需考慮上述兩種攝動因素;
( 對于高精度 ( 3 ) 位置精度 △ 優(yōu)于 1 m,方位精度△ 優(yōu)于0. 5 定軌, 1 3 P 0 0 " 0) 0 -d 的弧
段,至少應(yīng)考慮前 4種攝動源,而月球天平動處于考慮的邊緣狀態(tài) 實際計算同樣可證實上述攝動量大小的分析是正確的.例如 1 3 - d的太陽引力攝動的結(jié)
果是, 沿跡量變化的 差別 ( 與不考慮該攝動源的 結(jié)果比 僅達 1 0 較) 04 m ,
3 月球衛(wèi)星軌道攝動解的構(gòu)造
根據(jù)上述分析,在月心夭球坐標(biāo)系中,衛(wèi)星運動的攝動運動方程為
0 o ) e ,E =f( +f( t ) a Q;
其中
() 6
f a=6 o) n ( a 0。啊 T =a3 =(0 0 ,。 -/ 0 1 ) 2
() 7
而攝動項 f 則包含多種攝動因素。 原則上,用于求解人造地球衛(wèi)星運動方程的各種方法基本上都可用于求解月球衛(wèi)星運動 方程。但根據(jù)月球引力場的特點和地球引力攝動量級之大小,構(gòu)造月球衛(wèi)星軌道攝動解的方 法無法完全搬用人造地球衛(wèi)星中的相應(yīng)方法,主要原因為:
( 月球衛(wèi)星相應(yīng)攝動源的 1 ) 攝動量級相近, 特別是月球扁率項 ( ) J 不像地球扁率項那樣 2
突出,完整意義下的長周期項降階現(xiàn)象嚴重;
( 月球自 轉(zhuǎn)慢, 諧項攝動中的月球自 2 ) 田 轉(zhuǎn)項對應(yīng)慢變量, 而不同 因 于地球衛(wèi)星相應(yīng)攝動
中的地球 自轉(zhuǎn)項.
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由于第一個原因 ,除攝動小參數(shù)不采用E ( 而采用£ 1- 外,無法采用完整的 二D幾) = 2 0
平均根數(shù)法或變換方法。在早期工作中,幾乎都采用了以VnZi l o-e e變換為基礎(chǔ)的 p 半分析方
法[3. [ 則 用了 平 根數(shù) 國, 考慮到 述第二 原因 在 11 文[ 采 擬 均 法 - 4 ] 并 上 個 , 構(gòu)造田 項 諧 攝動
時,沒有采用展成平近點角 M 的三角級數(shù)形式,故相應(yīng)攝動解是對偏心率 。 封閉的,即適用 于 0 < 三e 范圍.這一軌道解不僅可達到較高的精度,而且便于作各種軌道問題的分析.我 1
們也 利用這一軌道解建立了 月球衛(wèi)星星上軌道外推軟件( 注意, 星上是不宜采用數(shù)值外推計算 的) ,用于地面控制中心進行軌道和姿態(tài)控制
用上述方法構(gòu)造的月球軌道攝動解,由于無耗散因素,a e i 個根數(shù)的變化均無長期 , ,3
項 而軌道變化主要取決于月球非球形引力攝動( 特別是 J 項和G, 2 項) 2 ', , 和地球引力攝 2 52 2 動, 對一些特殊問 奇次帶諧項( , 介、 9亦很重要 完整的 題, J J . J) s s 攝動解公式見文! , 4 ]
4 月球衛(wèi)星的軌道壽命問題
盡管月球無大氣, 月球衛(wèi)星不會像低軌地球衛(wèi)星那樣, 由于大氣耗散作用, 軌道不斷變小 變圓,最終落入地球稠密大氣層被燒毀而結(jié)束其軌道壽命, 但它同樣存在軌道壽命問題,即由
于另一種動力學(xué)機制,使其軌道偏心率e 增大,導(dǎo)致其近月距 : 二al e<凡 ( P (一 ) 月球赤道
半徑) 而撞到月球上結(jié)束其軌道壽命 這種動力學(xué)機制有兩種類型,各對應(yīng)高軌和低軌月球衛(wèi)星。 ( 高軌月球衛(wèi)星情況 1 ) 對于高軌月球衛(wèi)星, 地球引力攝動影響增大, 相應(yīng)的月球扁率攝動減小, 使得近月點幅角 的變率 w。,從而引起軌道偏心率 e的長周期變化出現(xiàn)小分母,相應(yīng)的變幅增大,而軌道 P z } 半長徑的 變化仍為變幅小的 周期變化, 這就導(dǎo)致月球衛(wèi)星的 近月距 r = 一 ) p。 e減小。 [ a l 文6 ] 和 [ 用不同 7 ] 方法給出了一個類似的 判別式, 其中文 [ 的結(jié)果是 7 ]
一['e」 ? 2。 \(二、 lR ‘ i 5 /
() 8
上式中#和可各為月心和地心引力常數(shù), a是地球軌道半長徑 ( ' 即月球繞地球運動的軌道 半長徑) 2 ,J 是月球扁率系數(shù),R 即月球赤道半徑,a是月球衛(wèi)星軌道半長徑的臨 Q 。 界值。 該式表明,當(dāng)月球軌道初始半長徑 a 接近或大于 a 時,其偏心率的變幅即可達到使其近月 。 。 距: < 。 界值a = , 例如一個a =。 的高軌月球衛(wèi)星, p e 該臨 R . MR 。 o。 , 4 0 初始軌道偏 心率 e = ,傾角i= ., o。 0 2 o。担 則繞月運行 1 d 要撞到月面上結(jié)束其軌道壽命. 80 6 即 2 ( 低軌月球衛(wèi)星情況 2 )
對于低軌月球衛(wèi)星,雖無大氣耗散因素的影響,但在主要攝動力 — 月球非球形引力攝 動下,軌道偏心率 e 亦有較大變幅的長周期項存在 而對于低軌地球衛(wèi)星, e的長周期項變 幅 △ 有如下量級: 。 △ 二O J, 2J/2 二 , 。 ( J/ , , ) 2 3J sJ ( 9 )
充其量是1- 量級. 于月球具有慢自 0“ 可由 轉(zhuǎn)天體非球形引力位的特點, 奇次帶諧項系數(shù) J+ ( 2 i + l
= , . 量級與扁率系 2 1 .) , .的 2 數(shù)J相差不 像地球那么大。 里J= v 萬瓦,見表1, 這 1 - + ( 2 l , 〔 )月
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球的C, 5 、C. 9 都較大, 3 、C, 7 、C, 0 0 0 。 則有
A =OJ,。 2=01 1 e ( J+1 ) ( -) 22 J 1 0
() 1 0
。 .5 0 對于低軌月球衛(wèi)星,高度分別為 10 0k m和 20 0k m的近圓軌道, △ 只要分別達到 。 5
和。0 即可 . , 使衛(wèi)星 1 軌道近月 n。欤 ) x , 距:= e二 a l 而由( ) 可以 這一 1 式 看出 條件是能 0 滿足
的, 特別對 1 k 0 m高的 0 低軌衛(wèi)星. [ 針對A oo 文8 ] pl 探月計劃中的 l 低軌 ( 離月面 1 k ) 0 m月 0 球衛(wèi)星軌道壽命作了 探討, 但在計算時采用了 僅考慮J . , 和C,. , 簡 2 3 S 2 。 。 。 2 3 項的 化 C
模型,因此不夠完善,它只能反映一定的規(guī)律。月球引力位中的 介 和 J 等項對低軌衛(wèi)星也 9
很重要, 為此針對這一點文 [ 作了 1 9 1 全面的 理論分析, 并在考慮完整的攝動力模型下計算了 低 軌月球衛(wèi)星的軌道壽命. 月球引 力場模型( L的L 7G 取全部的7 階次的計算結(jié)果列于 J P P5 ) 5
表 3。
表 3 低軌月球衛(wèi)星的軌道壽命
hk /m e o 1 0
0. 1 00
2
) m i ( } /0 巴 。 o0 / ) o(
9 . 。 0 45 。 . 4 . 50
t d 凡 /- 0 / k
6 . 17 00 . 4 8 7 1 52 1 . 1 .
21 . . 9 4 3 3 2
00 5 .5 9
00 5 .5 0 00 5 .3 0 00 9 .7 0
1 4 6 6 . 00 .
0
0. 1 00
9. 00
4 。 5.
表中凡 是近月高度達到的 極小值,t是相應(yīng)的時間 。 段.由 上述結(jié)果可以看出, 對于 1 k 0 m 0
高的低軌衛(wèi)星, 其軌道壽命是很短的; 而對于 20 0k m高的低軌衛(wèi)星, 雖然不至于撞到月球上, 但其近月點高度也可降得較低 這給探月器的軌道設(shè)計和環(huán)月飛行過程中的軌道控制提供了
極有價值 的軌道信息.
5 月球衛(wèi)星的特殊軌道
( 關(guān)于太陽同 1 ) 步軌道 根據(jù) 刀= ( n 其中 n 相對月球而言, . 是太陽 “ 公轉(zhuǎn)”平運動速度) ,可導(dǎo)出如下結(jié)果
h=
h= .
10 0k m, e 。 ,
i= 1 5 40
20 0k m, e。 i 10 .; N , = 707
30 0k m, 已七 0 ,
,” I x 表示 口太小,衛(wèi)星軌道面的進動無法跟上太陽的運動,這顯然與地球太陽同步軌道衛(wèi)星
的情況不同, 主要原因 是月球扁率太小,幾二口 1 4 故對低軌月球衛(wèi)星,其太陽同 ( ') 0 步軌 道也幾乎是逆行狀況,而不會接近極軌狀態(tài). ( 關(guān)于形成月球同步軌道的 2 ) 可能性 根據(jù)月球自 轉(zhuǎn)周期 T。玻洹 =。场 7 ,要使月球衛(wèi)星形成月球同步軌道, 則它的軌道必須是一
個軌道半長徑非常大的近圓軌道,相應(yīng)的半長徑
a =5 . 凡 =84 2 k . " 08 9 8 5. m 2
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這已 經(jīng)超出 地月系中 球的Hl 月 i范圍[ ( l i 接近6 0k ) 此這種情況 o ] 0 0 , 0 m 因 不可能 . 存在
() 3 關(guān)于凍結(jié)軌道 所謂凍結(jié)軌道,即軌道拱線的指向幾乎不變的軌道,相應(yīng)的 w二。 .這在地球衛(wèi)星中是
容易實現(xiàn)的 .除臨 界傾角‘ i= 2' 1 0 ' = 60 或 1 3 對應(yīng)的。= 的特殊凍結(jié)軌道 ( ,。 6 64 90 0 對應(yīng)軌 道共振問 , 題) 對于平均系統(tǒng) ( 即消除所有短周期項后的平均動力系統(tǒng)) ,可以找到 山 =。 的 一個特解 。=w = 它主要是由于地球扁率 幾 項與奇次帶諧項 幾 的影響而達到平衡, _ 90 0。 其條件是e ( -) 即只有滿 =。 3, 00 足近圓 條件才有可能使平均系統(tǒng)中的f . 4 ! 二。 詳細的證明見 文 !」 1 的第七章. 1 而對于月球衛(wèi)星,情況稍有不同,原因同樣是由于月球非球形引力場特征引起的差別,
由于平均系統(tǒng)中的 c w有如下形式
甕 ,,t1) 一、JF1‘1 (eI ( , 1 a e2 s ++ 一
(1 1)
其中Ft ( 是傾角‘ a 1) +% 的函數(shù), 對不同的J , .… 有不同的 3 s 。 形式,其凍結(jié)軌道特解為
。 0或 70 =90 2 . 0 () 1 2
又由于月球的J . .介 、J 均較大, 3 s J 9 因此月球衛(wèi)星的凍結(jié)軌道不能像地球情況那樣完全 由 兒 項確定.以月球引力場模型 L 15 P 6 為例, 在取項不同的情況下, 凍結(jié)軌道解列于表 4 ,
表 4 月球衛(wèi)里的凍結(jié)軌道解
J 2一 J v
J 7 2一 J s J 2一J
J 2一J s
2 7 0 . 0
曰 () /0
i () u0 /
w () /0
0 1 7 。 0 .8 0 7 刀
0 2 2 9 . 0 0 2 。埃 3 .0 9 00 .2 2 2 0 7刀 .0 3
由表中結(jié)果看出, 月球衛(wèi)星的凍結(jié)軌道解確實與地球衛(wèi)星情況不同, 而且相應(yīng)的軌道偏心 率并不需要很小 但由于月球引力位中各階次諧系數(shù)相差不大,而且地球引力攝動亦較大, 在考慮完整力模型的 情況下, 其穩(wěn)定性較差, 拱線事實上很難保持在小范圍內(nèi) 擺動( 計算結(jié)果 不再列出 , ) 這給探測器的 軌道設(shè)計提供了一個重要信息, 在設(shè)計月球衛(wèi)星凍結(jié)軌道時不能盲
目仿照或照搬地球衛(wèi)星凍結(jié)軌道的結(jié)論
6 月球衛(wèi)星的精密定軌問題
要使環(huán)月飛行的月球衛(wèi)星真正達到探月 目的,就要在掌握月球衛(wèi)星軌道變化規(guī)律的基礎(chǔ)
上解決精密定軌問 題,以便為不同的需求提供達到一定精度要求的衛(wèi)星軌道. 就定軌原理而言,月球衛(wèi)星精密定軌與地球衛(wèi)星無實質(zhì)性差別,相應(yīng)的測量方程為
p=r一R
R =
(3 1)
,+R . , Q
() 1 4
i 其中 P是測站 A對月球衛(wèi)星 S的測量矢量, R 是測站的月心位置矢量, T 是地心的月心位 置矢量, R 是測站的地心位置矢量,它們的空間幾何關(guān)系見圖 2 。 .從測量方程 ( ) ( ) 1 和 1 3 4
萬方數(shù)據(jù)
2 8 8
天
文
學(xué)
進
展
2 1卷
可知,與地球衛(wèi)星相應(yīng)幾何關(guān)系的唯一差別是這里的 R 替代了地球衛(wèi)星定軌中的 R .至于地球的月心位 e 置矢量 r是容易得到的, l 在月球衛(wèi)星精密定軌中顯然 是一已知量.因此月球衛(wèi)星精密定軌方法原則上沒有
什么新內(nèi) 只是如何提供觀測量 P以 容, 及如何建立測 控網(wǎng)( 涉及測站A, 是地面站, 可以 也可是空間 包 站, 括測量衛(wèi)星等 問 ) 題.
圖 2 月心、 地心、 測站與月衛(wèi)的兒何關(guān)系
我們給出了一種有別于通常采用的數(shù)值法定軌的 月球衛(wèi)星精密定軌方案、其仿真計算符合理論分析,
并在地球衛(wèi)星和土衛(wèi)八的精密定軌中經(jīng)過實測資料的考驗 該方法在法國 Tu n 舉行的 ol 。 o 第
5 屆國際宇航大會上報告過( A - -.0 ,。保, 大會推薦在AtAt nuc 2 見IF0 A68 2 .) 并由 1 . 0 1 0 c soats a。 i 上發(fā)表,見文 【] 1. 2
1 O s r i r。茫欤簦 c.17, : t wme C e s e , 1 )38 ee . . h 90 ( 6 e 3 2 Gaal G。 C ltM c. 913 )3 cga e s s , , : i i E . . h 17 ( e 1 3 Bo br V E dk oa ,。 a . s Me . 913 ) 1 m e A v oi v L。 ci N Clt c , , : r g , m S o n G e . h 17 ( 9 e 2 7 4 L L , g nsn.。 At n A t py. 982( : i Wa A g g C i so.。 hs 19, )38 i n n a o u h .。 s o , 2 3 2 5 Lu .。 At n A t py. 9711 6 L C i so.。 hs 17, : i i h .。 n s o , ( 3 )
6 Maca C 5t Itrain l rn ui l。 rs, s ra T e teln s2 0 rhl .。琛 ent a A t at a C ge A t dm, N hr d, 1 L 2 n o so c o s m e h e a 0
參 考 文 獻
7 Wag , Ln C i. rn A t py ,02 2()49 n Xn Lu . n At .。 hs 20, : i i i h so s o 64 8
a Mee K , l J。 ei . t o L n r e i O bt,。 T cn a P p r 4 19 yr。 B g a , a P Lf i f a S tlt ri N A h i l e 39 ,。 ui J e N i me u e a le s A e c a 3 9
9
Wag , L .。 At n At py. 032( : n XnL i C i so.。 hs 20, )17 i i n h .。 u so , 71 0
1 zbhl V. ry O bt, Y r a d。 o :。幔 c。澹 16: 20 0 Seee y T ec o ri N w k L d n A dmiP s 9 7 19 0 h f s e o n o c r , 5
1 劉林 航天器軌道理論,北京:國防工業(yè)出 1 版社, 20: 21 00 23 1 0 1 i Ln Lu gh n A t At nui ,。玻担 9: 2。蹋酢 , Yncu . s r at s20,。 ) 51 i i i c. s o c 0 1- 0
O te bt n mi o L n r。簦欤 n O i Dy a c f a S e i h r s u a le
Lu n Xn i Ln Wag i i
( eat n o A t n m ,。澹 U i r t N nig。埃梗 Dpr met s o o y N 叮n nv sy aj 2 03 f r a g e i ,, n 1
T e t n u a poe st o he s e ic i tr i r t e ri : 。 o lnr b cni s。簦颍濉。纾蟆。欤 g e d e n tp o ob s h m i f o r o s f t a n u n h e e y f t f p ri obt r E r , s r if w r t te o ad f a obt。 d ak g ina te t t nf obt ad h Mon te l。椋幔铮 te n r e h ah r e r o a r o n hi n r r h M o. pri ob ia。簦椋 d riote t st le T e sr。椋 e on T e。 g。 s r n oob f。 r a l . t nf ob i r h a n r t c a i f t。 a h ei h r e r t s e n t a f
fm o e it n em t d。 aipl ad t u )T e。臁。簟 n t r te r n sr。 ( h。 ue l h s . fao ia ud o h t s。 f e o s s s n o r t h i r r h a u w n b o h e
Mon。 t c n o te。颍琛 e tsobt u h y s l i sme et.。簦 o i o te e h E t stl e'。椋簦铮 te ae a n ap cs I hs s h l o f a a l i r h h r i r o mi s n p pr w tl a o t obt。悖幔 o ln r。 ts e ad u o sme。 os a e, a b u te i meh nc f a stl e wd l n fcs o h s t, e。搿 h r s u a l i i y o n op
f i t c, cnt co o te tra o s ui ,。 l ie sei s eis o n a e te s ut n h pr bt n t n ob a l t ,。 l l e a r n h o r i f e u i o o r t i m p a a l s s l f e t t
snsnho o s。洹 zn。猓 a d。濉 c e i dtr n t n u - crn u a f e o i n t pei obt emiai . y n r o r s h r s r e o
Ke w rs。 t l hn s ri l a i ol a s e t ei -o i l。 e y d c e i m cai-ob adnm c f r l e v w r t lem - o e sa e c t y s u a l -r e n ti b a it f
f zn。猓 re o i o r
萬方數(shù)據(jù)
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