专利名称：一种基于地日平衡点观测与跟踪小天体的位置选择方法
技术领域：
本发明属于航空航天技术领域，涉及一种观测与跟踪小天体的空间航天器位置安放选择方法。
背景技术：
对小天体的长周期观测与跟踪是小天体探测与防御任务中的关键环节。由于存在地球公转与自转、大气复杂湍流、折射、散射以及臭氧层吸收紫外线等因素的影响，采用传统的地面观测与跟踪小天体的方法已无法满足快速发现、精确观测和长周期跟踪小天体的需要。基于航天器的空间观测，由于可避开地球大气和地磁场的影响使得分辨率大幅提高，已成为未来深空目标观测与跟踪发展的重要研究方向之一。现有的关于小天体观测与跟踪的空间观测航天器安放位置选择方法中，Ronald S. Polidan 在 HUBBLE Space Telescope Overview—文中提出，美国发射的 Hubble 太空望远镜，选择了距离地面618km高，倾角为28. 4度的近地轨道作为安放位置。由于没有大气湍流的干扰，它所获得的图像和光谱具有很高的稳定性和可重复性。除了进行宇宙观测外， HiAble还观测发现了大量的小天体，如柯伊柏带的小天体等，但由于距离地球较近红外辐射背景很强，对于暗弱目标的观测与跟踪性能受到影响，同时由于地球轨道与小天体轨道的几何关系，导致观测与跟踪弧段较短。进一步地，Jonathan P. G. , Mather Mark.在 The James Webb Space Telescope 一文，以及 Cellino A, Tanga P. , Oro Dell A. , Hestroffer D.在 Asteroid Science with GAIA :Sizes, spin properties, overall shapes and taxonomy 一文中提出，美国的 JWST太空望远镜和欧空局的GAIA太空望远镜，选择了地-日L2平衡点附近的拟周期轨道 (Lissajous轨道)作为安放位置。地-日L2平衡点附近Lissajous轨道的位置其引力相对稳定，地球和太阳处于同样的相对位置，不用频繁进行位置修正也能让遮光板很好地发挥功效，可更稳定的进行观测，而且也不会受地球附近灰尘的影响。同时，地-日L2点可保持在一个较低的温度，更有利于观测暗弱的小天体。与近地轨道相比，地-日L2点的视场更为宽广，可使观测与跟踪小天体的弧段增长，但由于观测角的限制，仍然存在较大的盲区。综上所述，小天体的长周期观测与跟踪是小天体探测与防御任务设计与规划中亟待解决的问题。在近地轨道和地-日L2平衡点附近的拟周期轨道上放置空间观测航天器的方法，虽使观测与跟踪小天体的弧段有所增加，但由于地球轨道与小天体轨道的几何关系以及观测角的限制，使得对小天体的长周期观测与跟踪存在困难。
发明内容
本发明为了解决选择合适的空间观测航天器安放位置实现对小天体进行长周期观测与跟踪问题，提出一种选择由地-日系统三角平衡点L4和L5以及L2平衡点附近的拟周期轨道作为空间观测航天器的安放位置，构建出三颗空间航天器的观测网络，实现对小天体进行联合观测与跟踪。该方法首先由空间观测航天器-太阳-地球构成的三体系统得到五个动平衡点； 然后选择L2平衡点附近的拟周期轨道作为空间观测航天器I的位置安放点；选择L4和L5 点分别作为空间观测航天器II和III的位置安放点，构建出三颗空间航天器的观测网络， 对小天体进行联合观测与跟踪；具体实现的过程如下步骤一、动平衡点位置确定根据空间观测航天器-太阳-地球构成的三体系统，得到五个动平衡点，即三个共线的动平衡点Li、L2和L3以及两个三角动平衡点L4和L5 ；步骤二、确定空间观测航天器I的安放点动平衡点Li、L2、L3均不稳定，且Ll在太阳和地球之间，受空间环境影响较大，而 L 3和地球之间的通信受太阳遮挡的影响，因此选择L2平衡点附近的拟周期轨道作为空间观测航天器I的安放点；步骤三、确定空间观测航天器II和III的安放点由于L4和L5平衡点是稳定的平衡点，因此选择将空间观测航天器II和III分别安放于L4和L5平衡点附近，以实现空间观测航天器II和III分别在L4和L5平衡点长期的稳定停留；步骤四空间观测航天器I、II和III的联合观测观测小天体时，分别将空间观测航天器I、II和III的可观测区域进行叠加，实现对小天体的长周期观测与跟踪。有益效果(1)传统地面的机会型短弧段观测，若干时间段，才会出现1次仅数十天的观测机会，而本发明方法能够实现对小天体的全周期观测，即可实现小天体运行轨道的全程观测。(2)现有的近地观测航天器易受地球非球形引力、大气摄动等多种动力学扰动因素的影响，而本发明方法中的地-日系统L4、L5平衡点具有较好的动力学稳定特性和空间环境。
(3)现有的近地观测航天器，1年轨道维持的能量约为20m/s，然而地-日系统L2 点Lissajous轨道所需轨道维持能量消耗少，即10年轨道维持的能量约为10-25m/s。(4)现有的观测有两种，即地面观测和近地观测，地面观测受到地球自转的影响， 近地观测航天器受自身环绕轨道的影响，而本发明方法中的空间观测航天器具有单颗观测弧段长等优点。
图1为五个平衡点的位置示意图；图2为地-日系统L2平衡点附近的周期图；图3为基于地-日动平衡点的小天体观测与跟踪空间航天器位置选择发明效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。一种基于地日平衡点观测与跟踪小天体的位置选择的方法，其具体实现过程如下步骤一、动平衡点位置确定由空间观测航天器-太阳-地球构成的三体系统存在五个动平衡点，如图1所示， 即三个共线的动平衡点L1、L2和L3以及两个三角动平衡点L4和L5。其中，三个共线平衡点的位置分别为 Ll平衡点
权利要求
1. 一种基于地日平衡点观测与跟踪小天体的位置选择方法，其特征在于该方法具体的实现步骤如下根据空间观测航天器-太阳-地球构成的三体系统，得到五个动平衡点，即三个共线的动平衡点L1、L2和L3以及两个三角动平衡点L4和L5 ；选择L2平衡点附近的拟周期轨道作为空间观测航天器I的安放点；选择将空间观测航天器II和III分别安放于L4和L5平衡点；观测小天体时，空间观测航天器I、II和III联合观测，将空间观测航天器I、II和III 的可观测区域进行叠加，实现对小天体的长周期观测与跟踪。
全文摘要
本发明公开了一种基于地日平衡点观测与跟踪小天体的位置选择方法，属于航空航天技术领域。该方法首先由空间观测航天器-太阳-地球构成的三体系统得到五个动平衡点；然后选择L2平衡点附近的拟周期轨道作为空间观测航天器I的位置安放点；选择L4和L5点分别作为空间观测航天器II和III的位置安放点，构建出三颗空间航天器的观测网络，对小天体进行联合观测与跟踪。本发明方法，对比已有技术，能够实现对小天体的长周期观测与跟踪，具有稳定性好、航天器位置保持所需能量消耗少、观测与跟踪弧段长等优点和效果。
文档编号B64G1/00GK102351047SQ20111019958
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月16日 优先权日2011年7月16日
发明者乔栋, 尚海滨, 崔平远, 徐瑞, 朱圣英 申请人:北京理工大学