基于STK的月球探测任务分析、设计与验证方法

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2010年12月第6期基于STK的月球探测任务分析、设计与验证方法黄文德1郗晓宁2王威1(1国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙410073)(2国防科技大学航天与材料工程学院。长沙410073)摘要为了减少月球探测任务设计阶段的开发成本、提高研究效率，提出利用成熟软件卫星工具包(Satellitetoolkit，STK)进行分析、设计及验证的一般途径。首先，讨论基于微分改正的月球探测器轨道设计方法。然后，分析利用STK验证圆锥曲线拼接法设计结果的问题及注

2、意事项。最后，针对STK中月面点、月球车运动设置不灵活等问题，利用外部文件导入方式进行分析、验证；在此基础上，给出月面点光照和测控条件分析方法。仿真结果表明，所提出的方法可以有效实现STK对月球探测任务的分析、设计及验证。关键词卫星工具包月面点轨道设计月球探测仿真验证1引言月球探测任务分析与设计属于月球探测的顶层设计环节[1】，而仿真验证是检验设计结果合理性的主要方法之一。由于月球探测所涉及的时空系统、飞行动力学和光照及测控条件等比较复杂，使得开发用于月球探测任务分析、设计与仿真验证的软件成本较高[2-3]。若能利用现有成熟的软件或者对

3、现有成熟软件进行再次开发，以完成上述分析与设计等任务，则将能够减少开发成本、提高研究效率。卫星工具包(Satellitetoolkit，STK)强大的仿真计算和图文输出功能，使其成为航天工业领先的仿真软件[4-6】。但STK在月球探测任务分析、设计与仿真验证方面的功能还没有得到充分的应用。原因可能是多方面的，如STK5．0等版本在以月球为中心体的卫星、星下点轨迹、月面点等设置上的相对不灵活，在很大程度上限制了STK在月球探测分析、设计与仿真验证的应用。本文基于STK5．0提供的基本功能模块，利用STK自身的灵活性对其进行功能模块的再次开

4、发和功能重组，目的是更好的实现STK在月球探测任务分析、设计与仿真验证等方面的功能。为了利用STK进行分析与设计，本文将月球探测任务作如下适当简化：1)设计一条由地球停泊轨道入轨的地月转移轨道；2)在近月点处减速形成环月轨道，并在环月轨道上运行数圈后到达着月点；3)分析着月点的光照条件和地面测控条件。在此基础上，提出利用STK进行月球探测器轨道设计、仿真验证、光照和地面测控条件分析等一整套方法。着重解决具有广泛应用背景的双二体假设的STK验证、月面点和月球车的设置与分析等难点问题。收稿日期：2010-04—29．收修改稿日期：2010-

5、07—232010年12月中国空间科学技术2月球探测器轨道设计月球探测器的轨道一般需要满足一定的设计目标，如近月点高度、轨道倾角等。微分改正是满足轨道设计要求的一种有效方法。(1)基于微分改正的轨道设计原理对于目标函数F(口)，其关于自变量"在口。处的泰勒级数展开为f1№)一F0+悟}面d"F(圹矿ILl口2730J式中可，为730邻域内的任一点；Fo为目标函数在掣。处的值；F。为目标函数在u。处的值。由于上述展开式比较复杂，难以得到解析解，故只取一阶项，得：Fl(口I)≈Fo+TdP(口l—Vo)由微分的定义，可得：F7。=筹≈鲁{妻

6、一可。≈7do+学=‰+(FT—F0)[F7。]一-(1)dU口1一口o，1式中FT为需要达到的目标。由式(1)可知，到达目标FT所需的口。可以由已知的VO、F。以及导数F7。得到。∥一dF一1：．一F(口+艿口)一F(")，l2而Ci2嬲———葛■一U6俨·0dU对于给定目标FT，对上述过程进行迭代，则可以得到到达目标．FT所需的口。。上述过程对于双元函数同样适用，设A、B分别为关于函数f(x，3f)和g(x，3，)的设计目标，则总可以表示为f(x+Ax，Y+hy)=A1g(x+Ax，Y+Ay)=BJ式中Ax、Ay分别表示自变量z、Y

7、的增量。若令zI=z。+缸，Yl一弘-FAy，则有：引≈讣一of—of]叫扯ayagazay、AB叫--f(zx，,；；)=引+∥A一--⋯f(x一，,；；)㈣根据式(2)不断迭代(z，y)，最终可以得到满足A、B的解。对于月球探测任务，其设计目标一般是近月点高度、环月轨道倾角等；其设计的变量是地月转移加速所需的速度冲量、飞行时间等。(2)利用STK／Astrogator进行轨道设计的方法STK／Astrogator具有轨道预报、机动、轨道搜索等功能，是STK强大设计功能的具体支撑模块‘71。由于其支持以月球为中心的轨道设置、预报和设计

8、，因此，也是STK中能够实现月球探测任务分析、设计与验证的主要功能模块。利用STK／As”ogator进行轨道设计涉及到如下几个方面：初始条件的设置、目标的选取和设置、轨道预报设置(积分器、预报时间、结束条