一种星载天线在轨温度的极端工况预测方法

摘要

本发明公开了一种星载天线在轨温度的极端工况预测方法，该方法包括：（1）通过给定的轨道参数，计算太阳相对于轨道面入射角β一年内的变化规律；（2）根据（1）中的参数通过β角一年内的变化规律计算受晒因子，由此判断在一周期内是否存在阴影时刻；（3）根据步骤（2）中是否存在阴影预测星载天线的极端低温工况；（4）根据步骤（2）中是否存在阴影预测星载天线的极端高温工况；（5）将星载天线各极端温度工况分别与该工况日期±2、±5日温度进行比较，取温度工况T

说明书

技术领域

本发明涉及航天领域，具体是一种预测星载天线在轨温度极端工况的方法。

背景技术

航天器及其星载电子设备在轨道空间长期可靠地运行，需要适应太空各种极端环境条件， 如真空、微重力、低温、黑背景以及太阳辐射与地球等行星的热辐射。尤其是其周期性的经 历光照区与阴影区，会导致航天器表面温度的剧烈变化，从而可能会使材料、部件出现断裂 变形乃至失效，严重的甚至使卫星无法正常工作。

当星载天线在轨运行时，其内部的温度变化是由轨道外热流和内热源的变化引起的。由 于外热流和内热源瞬变的特性，在星载天线的热分析以及热实验的过程中，出于对环境、边 界条件以及本身加工装配工艺及材料属性等存在某些不确定的考虑，要求选择热的极端工况 进行分析和检验，以覆盖其在轨运行的所有工况。合理选择工况从而得到星载天线准确的极 端温度，为卫星高低温工况提供理论设计依据，这对于星载天线的热设计分析以及验证的迭 代过程是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是为了减少由于在轨星载天线温度极端工况难于判断从而采用枚举法进行 分析造成热分析工作量巨大的情况，针对运行于轨道上的星载天线，首先通过β角（太阳光 线相对于轨道面入射角）的变化规律判断外热流出现的极值日期，从而选定极端工况可能出 现的日期并通过比较各日期内所接收的外热流大小，达到预测星载天线极端工况的目的。

该方法是通过以下步骤实现的。

一种星载天线在轨温度的极端工况预测方法，该方法包括下述步骤：

（1）通过给定的星载天线轨道参数，计算太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一 年内的变化规律；

（2）通过太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一年内的变化规律，计算星载天线 受晒因子，由此判断星载天线在一年内是否存在阴影时刻；

（3）根据星载天线在一年内是否存在阴影时刻预测天线极低温度工况：

（4）根据星载天线在一年内是否存在阴影时刻预测天线极高温度工况：

（5）将天线各极端温度工况分别与该工况日期±2、±5日温度进行比较，取温度工况T_Max工况温度作为极端高温工况，取温度工况T_Min作为极端低温工况。

进一步地，所述步骤（1）中给定的星载天线轨道参数，计算太阳光线相对于星载天线轨 道面入射角β角一年内的变化规律，通过下述方式实现：

γ′=t₀×π/12

γ=(α_n-π/2)-α_S=γ′-Δα-π/2

$p\left(t\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{\sin (2\mathrm{\pi t}/365)}{\mathrm{ctgϵ}}\right),t\in \left[\mathrm{0,365}\right]$

$\mathrm{\Delta \alpha }\left(t\right)={\alpha }_s\left(t\right)-\alpha \left(t\right)=\left(\begin{array}{}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{\cos }^{-1}\left(\frac{\cos (2\mathrm{\pi t}/365)}{\cos p\left(t\right)}\right)-2\mathrm{\pi t}/365& t\in \left[\mathrm{0,182.5}\right]\\ {\cos }^{-1}\frac{\cos (2\pi (t-182.5)/365)}{\cos p(t-182.5)}-2\pi (t-182.5)/365& \\ t\in \left[\mathrm{182.5,365}\right]& \end{array}\right)$

$\beta =\frac{\pi }{2}-{\cos }^{-1}\left\{\cos i\sin \right[{\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\sin 2\mathrm{\pi t}/365}{\mathrm{ctgϵ}}]+\sin i\cos [{\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\sin 2\pi /365}{\mathrm{ctgϵ}}]·\sin [\frac{t_0}{12}\pi -\mathrm{\Delta \alpha }\left(t\right)\left]\right\}$

t∈[0，365]

其中：t为春分日间隔日期，ε为黄赤交角，H为轨道高度，i为轨道倾角，e为偏心率， t₀为降交点地方时，T为轨道周期，γ′为轨道升交点和平太阳赤经差，α为升交点与真太阳的 赤经差，Δα为真太阳和平太阳的赤经差，α_s′为平太阳赤经，P为真太阳的赤纬，P为轨极与 γ为真太阳的赤经差和β为太阳光线相对于轨道面入射角。

进一步地，所述步骤（2）中计算星载天线受晒因子，通过下述方式实现：

$\rho ={\sin }^{-1}\frac{R}{R+H}$

Ke=1-cos^-1（cosρ/cosβ）/π

当-ρ＜β＜ρ时，才能出现星蚀现象，即轨道出现阴影，由此判断在一周期内是否存在阴 影时刻；

式中，ρ为地球相对于卫星的角半径，R为地球半径，Ke为受晒因子。

进一步地，所述步骤（3）中根据星载天线在一年内是否存在阴影时刻预测天线极低温度 工况的预测步骤如下：

（3a）当轨道存在阴影时刻：

①构建星载天线实际热模型；

②选择阴影时间最长日期作为计算日期；

③针对实际天线热模型加载最小太阳辐射热流，一般可取夏至日太阳辐射热流值；

④通过UG计算实际天线在日期的瞬态温度场，在阴影时刻末期达到最低温度，该 温度结果即为天线极低温度工况T_Min；

（3b）当轨道不存在阴影时刻：

①构建星载天线简化热模型；

②根据太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一年内的变化规律，选取星载天 线的六个轨道位置点，分别加载最小太阳辐射热流；

③根据UG输出的稳态平均热流以及瞬时各时刻热流结果找出稳态平均与瞬时热 流最小的两个日期；

④构建星载天线实际热模型；

⑤针对星载天线实际热模型，选择得到的稳态平均与瞬时热流最小的两个日期，加 载最小太阳辐射热流，计算各自瞬态温度；

⑥比较实际模型这两个日期的温度结果，取温度较低者作为极低温度工况T_Min。

进一步地，所述步骤（4）中根据星载天线在一年内是否存在阴影时刻预测天线极高温度 工况的预测步骤如下：

（4a）当轨道存在阴影时刻：

①构建星载天线简化热模型；

②根据太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一年内的变化规律，选取星载天 线的六个轨道位置点，分别加载最大太阳辐射热流；

③根据UG输出的稳态平均热流以及瞬时各时刻热流结果找出稳态平均与瞬时热 流最大的两个日期；

④构建星载天线实际热模型；

⑤针对星载天线实际热模型，选择得到的稳态平均与瞬时热流最大的两个日期， 加载最大太阳辐射热流，计算各自瞬态温度结果；

⑥比较实际模型这两个日期的温度结果，取温度较高者作为极高温度工况T_Max；

（4b）当轨道不存在阴影时刻：

①构建星载天线简化热模型；

②根据太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一年内的变化规律，选取星载 线在轨的六个轨道位置点，分别加载最大太阳辐射热流；

③根据UG输出的稳态平均热流找出稳态平均与瞬时热流最大的两个日期；

④构建星载天线实际热模型；

⑤针对星载天线实际热模型，选择得到的稳态平均与瞬时热流最大的两个日期，加 载最大太阳辐射热流，计算各自瞬态温度；

⑥比较实际模型这两个日期的温度结果，取温度较高者作为极高温度工况T_Max。

进一步地，所述简化模型的六个轨道位置点分别为星载天线在轨的β角最大日、β角最 小日、春分日、夏至日、秋分日以及冬至日。

进一步地，所述加载最小太阳辐射热流取夏至时太阳辐射热流，加载最大太阳辐射热流 取冬至时太阳辐射热流。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有的方法都是固定的选取春分日、夏至日、秋分日、冬至日来计算星载天线的在轨温 度以预测其极端温度或者通过枚举法，使用热分析软件计算每日的外热流变化以预测其极端 温度，存在着极端温度不准确以及计算量巨大等问题。本发明通过对外太空轨道外热流变化 规律的研究，选定最大或者最小外热流出现的日期，快速准确的达到了预测星载天线极端工 况的目的。

附图说明

图1为本方法在轨星载天线温度极端工况预测方法流程图。

图2为轨道面与太阳光线几何关系。

图3为真太阳与平太阳的几何关系。

图4为对地三轴稳定卫星轨道示意图。

图5为太阳光线对卫星任一表面入射角的几何关系。

图6为不同降交点地方时的轨道β角周期变化规律。

图7为不同降交点地方时相对应的受晒因子周期变化规律。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1所示，星载天线在轨温度的极端工况预测方法，步骤如下：

（1）通过给定的星载天线轨道参数，计算太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一 年内的变化规律，如图2～5所示。所涉及的参数包括与春分日间隔日期t、黄赤交角ε、轨 道高度H、轨道倾角i、偏心率e、降交点地方时t₀、轨道周期T、轨道升交点和平太阳赤经 差γ′、升交点与真太阳的赤经差α、真太阳和平太阳的赤经差Δα、平太阳赤经α_s′、 真太阳的赤纬P、轨极P与真太阳的赤经差γ和太阳光线相对于轨道面入射角β。

根据图2，降交点的地方时t₀决定了升交点N和平太阳S′的赤经差γ′，γ′相对于t₀呈线性 变化，由此可得：

γ′=t₀×π/12

根据图3，A点为太阳轨迹的升交点,亦即春分点。在球面直角三角形AST中,利用球面 直角三角形的性质可得:

$p\left(t\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{\sin (2\mathrm{\pi t}/365)}{\mathrm{ctgϵ}}\right),t\in \left[\mathrm{0,365}\right]$

$\mathrm{\Delta \alpha }\left(t\right)={\alpha }_s\left(t\right)-\alpha \left(t\right)=\left(\begin{array}{}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{\cos }^{-1}\left(\frac{\cos (2\mathrm{\pi t}/365)}{\cos p\left(t\right)}\right)-2\mathrm{\pi t}/365& t\in \left[\mathrm{0,182.5}\right]\\ {\cos }^{-1}\frac{\cos (2\pi (t-182.5)/365)}{\cos p(t-182.5)}-2\pi (t-182.5)/365& \\ t\in \left[\mathrm{182.5,365}\right]& \end{array}\right)$

根据图4与图5，采用以卫星为中心，地心为基准的天球坐标系，如图2-5所示，太阳沿 粗实线的小圆运动，S为某时刻的太阳位置，可得：

$\beta =\frac{\pi }{2}-{\cos }^{-1}\left\{\cos i\sin \right[{\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\sin 2\mathrm{\pi t}/365}{\mathrm{ctgϵ}}]+\sin i\cos [{\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\sin 2\pi /365}{\mathrm{ctgϵ}}]·\sin [\frac{t_0}{12}\pi -\mathrm{\Delta \alpha }\left(t\right)\left]\right\}$

t∈[0，365]

图6为对应与不同的降交点地方时绘制的β角一年内变化规律。

（2）通过太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一年内的变化规律，计算受晒因子。 参数包括地球相对于卫星的角半径ρ、地球半径R、受晒因子Ke。

$\rho ={\sin }^{-1}\frac{R}{R+H}$

Ke=1-cos^-1（cosρ/cosβ）/π

当-ρ＜β＜ρ时，才能出现星蚀现象，即轨道出现阴影。由此判断在一周期内是否存在阴 影时刻。由此判断在一周期内是否存在阴影时刻，如图7所示。

（3）根据星载天线在一年内是否存在阴影时刻预测天线极低温度工况：

（3a）当轨道存在阴影时刻：

①构建星载天线实际热模型；

②选择阴影时间最长日期作为计算日期；

③针对实际天线热模型加载最小太阳辐射热流，一般可取夏至日太阳辐射热流值；

④通过UG计算实际天线在日期的瞬态温度场，在阴影时刻末期达到最低温度，该 温度结果即为天线极低温度工况T_Min；

（3b）当轨道不存在阴影时刻：

①构建星载天线简化热模型；

②采用实际天线包络简化模型，根据太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一 年内的变化规律，选取星载天线的六个轨道位置点，即β角最大日、β角最小日、 春分日、夏至日、秋分日以及冬至日，分别加载最小太阳辐射热流（取夏至时太 阳辐射热流）；

③根据UG输出的稳态平均热流以及瞬时各时刻热流结果找出稳态平均与瞬时 热流最小的两个日期；

④构建星载天线实际热模型；

⑤针对实际天线模型，选择得到的稳态平均与瞬时热流最小的两个日期，加载最小 太阳辐射热流（取夏至时太阳辐射热流），计算各自瞬态温度；

⑥比较实际模型这两个日期的温度结果，取温度较低者作为极低温度工况T_Min。

（4）根据星载天线在一年内是否存在阴影时刻预测天线极高温度工况：

（4a）当轨道存在阴影时刻：

①构建星载天线简化热模型；

②采用实际天线包络简化模型，根据太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角 一年内的变化规律，选取星载天线的六个轨道位置点，即β角最大日、β角最 小日、春分日、夏至日、秋分日以及冬至日，分别加载最大太阳辐射热流（取 冬至时太阳辐射热流）；

③根据UG输出的稳态平均热流以及瞬时各时刻热流结果找出稳态平均与瞬时热 流最大的两个日期；

④构建星载天线实际热模型；

⑤针对实际天线模型，选择得到的稳态平均与瞬时热流最大的两个日期，加载最大 太阳辐射热流，计算各自瞬态温度结果；

⑥比较实际模型这两个日期的温度结果，取温度较高者作为极高温度工况T_Max。

（4b）当轨道不存在阴影时刻：

①构建星载天线简化热模型；

②采用实际天线包络简化模型，根据太阳光线相对于星载天线轨道面入射角β角一 年内的变化规律，选取星载天线在轨的六个轨道位置点，即β角最大日、β角最 小日、春分日、夏至日、秋分日以及冬至日，分别加载最大太阳辐射热流（取冬 至时太阳辐射热流）；

③根据UG输出的稳态平均热流找出稳态平均与瞬时热流最大的两个日期；

④构建星载天线实际热模型；

⑤针对实际模型，选择得到的稳态平均与瞬时热流最大的两个日期，加载最大太阳 辐射热流，计算各自瞬态温度；

⑥比较实际模型这两个日期的温度结果，取温度较高者作为极高温度工况T_Max。

（5）将天线各极端温度工况分别与该工况日期±2、±5日温度进行比较，取温度工况T_Max工况温度作为极端高温工况，取温度工况T_Min作为极端低温工况。

通过上述方法能够快速准确地预测星载天线极端工况，从而得到星载天线准确的极端温 度，为卫星高低温工况提供理论设计依据。