文章导读：在新的一年中，各位网友都进入紧张的学习或是工作阶段。网学的各位小编整理了工科论文- 平流层卫星轨道控制建模与仿真研究 的相关内容供大家参考，祝大家在新的一年里工作和学习顺利！
1 引言平流层是大气层中最平静的一段,不受天气影响,有着良好的电磁特性,人们一直尝试利用平流层载运平台携带不同的有效载荷进行通信和地球观测。目前平流层长航时飞行器主要有高空气球、飞艇和平流层卫星三种。高空气球只能在预定的空气密度层悬浮,完全不可控;飞艇采用螺旋桨作为动力抗风,能耗较大,制约了其发展;平流层卫星利用平流层底部反向风产生轨道控制力,使其在一定纬度范围内沿东西方向缓慢运动,是一种低能耗、长航时的临近空间载运平台,它工作于20Km高度,与传统卫星等相比,工作高度低,能够获取更高的观测精度,传输延迟短、信号衰减小;与飞机等相比,工作高度高,覆盖范围大,工作时间也相对较长;此外平流层卫星成本较低,各国都在积极探索。本文首先分析平流层风场特性,引出平流层卫星的组成与工作原理,采用“质量-集中弹性绳”模型对系统各部分进行分析与建模,研究平流层卫星轨道控制的方法,并进行仿真验证,最后对仿真结果进行可信性与实用性分析。
2 平流层风场分析平流层底部受到对流层顶部西风带的影响,盛行西风。平流层上部由于臭氧层的存在,吸收太阳紫外辐射,使大气温度增加并形成高压。处于冬季的半球,中低纬度地区受到日照的时间比极地及高纬度地区长,其平流层上部的气压也就高于极地及高纬度地区,不同纬度间的压差形成了从高压某地风速随高度的变化分布区流向低压区的气流,这种气流受科里奥利力的影响形成东风。这就形成了平流层底部的东西方向反向风。由于平流层上热下冷的逆温结构使得平流层上下对流很弱,风向主要为东西方向,且存在一个零风带,其上为东风,风速随高度的增大而增大,其下为西风,风速随高度的降低而增大。图1为某地风速随高度的变化分布图(自西向东,自南向北为正)。从图中可以看出:此时此地平流层零风带处于20. 6Km高度。
3 平流层卫星的组成与工作原理平流层卫星主要由超压长航时气球、有效载荷吊仓、系绳和气动帆组成。气球处于零风带上部东风区,在气球下方图2 平流层卫星的组成通过系绳悬挂气动帆,如图2所示。系绳的长度必须确保的气球和气动帆之间有足够大的高度差和风速差,使得位于下部西风区稠密大气中的气动帆能提供足够的侧向控制力以抵消气球受到的南北方向水平力,侧向控制力的大小与方向通过改变舵偏角修正主翼迎角调整,由系绳将其传递到气球,改变气球运行轨迹,使平流层卫星沿东西方向轨道缓慢运行。
4 坐标系定义 地面坐标系Oxyz 原点O取在气球初始位置正下方地面,Ox轴在水平面内,指向正东,Oz垂直于地面,向上为正,Oy轴垂直于Oxz平面,指向服从右手定则。球体坐标系OxByBzB 原点O取在球体质心,各轴定义与地面坐标系相同。 4.3 速度坐标系Oxvyvzv 原点O取在质心,Oxv轴在水平面内与各节点相对风速方向一致,指向气流方向为正,Ozv垂直于地面,向上为正, Oyv轴垂直于Oxvzv平面,指向服从右手定则。将风速分解为南北方向风速Vwind_SN,东西方向风速 Vwind_EW,则风速与其东西方向分量夹角r满足tanγ= Vwind_SN/Vwind_EW。
5 平流层卫星动力学建模 球体建模图3 气球受力分析假设气球高度为HB,这个高度处的大气密度为ρB_air,氦气密度为ρB_He,风速为VB_wind;气球水平漂移速度VB,竖直方向速度VBZ;气球的体积为V,阻力系数为Cd_Ball。气球相对风的速度VB /r=VB-VB_wind,气球迎风面积A= V23; 气球所受水平与竖直方向气动阻力为: Dxy=12ρB_airV2B_rCd_BallA Dz=12ρB_airV2B_zCd_BallA(1) 假设空气和氦气密度随高度的变化一致,则净浮力为[2]: B =ρB_airgV1-ρHeρair=0.854ρB_airgV (2) 气球与有效载荷吊舱固联,假设其总质量为mB,则重力为:WB=mBg; 由于气球处于平衡状态,受力矢量和必须为零,则气球受到系绳的拉力大小为: —80—T = (B -W±Dz)2+D2xy(3) 拉力的方向沿绳的伸展方向,与水平面夹角θ满足: tanθ=B -W±DzDxy(4) 气球运动速度为: VB_x=∫t0(Dxy-Tcosθ)cosrmBdt VB_y=∫t0(Dxy-Tcosθ)sinrmBdt VB_z=∫t0B -W±Dz-TsinθmBdt (5) 气球位移: SB_x=∫t0VB_xdt SB_y=∫t0VB_ydt SB_z=∫t0VB_zdt (6) 系绳建模系绳受空气动力作用,传递气动帆对气球的控制力,约束着气球与气动帆的相对位置,同时气球与气动帆运动状态和相对位置的改变又将引起系绳形状的改变。因此,系绳是一个强耦合系统。
