哈工大《飞行器设计综合实验》遥感卫星近地圆轨道设计
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火箭卫星设计基础实验报告介绍本实验旨在通过火箭卫星设计的基础实践,帮助学生了解火箭卫星的原理、结构以及设计过程,培养学生的创新能力和团队协作精神。
本报告将详细介绍我们小组的设计方案、实施过程以及实验结果。
设计方案背景火箭卫星是一种搭载在火箭上的小型卫星,用于在轨道上执行特定任务,如遥感、通讯等。
基于我们小组的兴趣和专业背景,我们决定设计并制作一颗遥感卫星。
结构我们的卫星设计包括两个主要组成部分:主体结构和遥感设备。
主体结构由基础框架和外壳构成,起到固定和保护内部设备的作用。
遥感设备包括摄像头和相关传感器,用于获取地球上的图像和数据。
功能设计的卫星主要功能是进行地表遥感,获取地球上的图像和数据,并将其传输至地面接收站。
卫星将采用惯性导航系统和通信设备,以保持稳定的轨道和与地面的通信。
实施过程资源准备在开始实验之前,我们收集了有关火箭卫星设计和遥感技术的相关资料,以增加我们对该领域的了解。
此外,我们还准备了制作卫星所需的材料和工具,如3D打印机、电路板等。
设计与制造在实验过程中,我们小组将设计分为多个阶段进行。
首先,我们利用计算机辅助设计(CAD)软件绘制了卫星的整体结构和零部件。
然后,使用3D打印机制作了卫星的主体结构,并在其表面安装了遥感设备。
接下来,我们焊接了一台简单的电路板,用于控制卫星的各种功能。
轨道模拟完成卫星的制造后,我们使用轨道模拟软件对卫星进行了测试。
通过模拟卫星在不同轨道上的运行情况,我们可以评估其稳定性和性能。
实验结果经过一段时间的努力,我们成功地设计并制作了一颗小型遥感卫星,并进行了一系列测试。
卫星在轨道模拟过程中表现出良好的稳定性和精确的能源控制。
遥感设备成功地获取了地球上的图像和数据,并将其传输至地面接收站。
总结与展望通过这次实验,我们不仅学习了火箭卫星的设计和制造过程,还培养了团队协作和解决问题的能力。
我们与小组成员紧密合作,充分发挥了各自的优势,最终完成了一颗完整的遥感卫星。
目录1.1研究现状及分析 (2)1.1.1 发射窗口 (4)1.1.2火星探测轨道设计 (5)1.1.3火星探测轨道优化 (7)1.2轨道基础知识 (9)1.2.1时间系统 (9)1.2.2坐标系统 (10)1.2.3星历数据 (11)1.2.4B平面 (11)1.2.5Lambert问题 (12)1.3火星探测直接转移轨道的初步设计 (13)1.3.1日心轨道设计及发射窗口的搜索 (13)1.3.2地心段参数的确定 (15)1.3.3火心段参数的确定 (19)1.4 基于B平面参数的精确轨道设计 (20)1.4.1 问题描述 (20)1.4.2 制导方法 (21)1.4.3 轨道精确设计求解 (22)1.4仿真分析 (23)1.4.1初步轨道参数设计结果 (24)1.4.2 精确轨道参数设计结果 (26)1.5结论 (27)I- 2 - 地球——火星转移轨道设计轨道设计是火星探测任务的基础,在设计出精确轨道前,一般都忽略次要因素,以二体模型为基础设计一条简单的轨道来满足任务的要求。
本章采用普适变量方法求解Lambert 问题,并给出基于pork-chop 图以及优化算法两种方法对发射窗口进行搜索,基于此窗口对转移轨道进行初步设计和精确设计。
1.1 研究现状及分析近十年来火星探测已成为科学家们开展空间研究的主流趋势之一,火星是太阳系内与地球最接近的一颗行星,它们有很多共同特征。
自从水被证实在其上存在后,有存在生命的可能是人类目前对火星感兴趣的主要原因之一,此推动了科学研究,在之后每一个合适的发射窗口,都有新型的行星际探测器飞往火星,并携带科学设备用来研究火星的大气与表面,以及发现一些新奇的现象。
在过去的50年里,仅美国在火星探测研究的经费已超过了100亿美金,而在不远的将来他们计划开展大量的火星科学探测活动。
目前,包括俄罗斯航天局在内的世界各大航天机构正在考虑发射载人探测器到火星上的可能性,而确定这样的计划后使得火星探测基础理论研究、技术支持和工程实验迅猛发展,此时我国开展火星探测是及时的,在自主研发的基础上,借鉴外国经验,发展我国自己的火星探测技术,开拓空间资源和领域,促使太空经济蓬勃发展。
哈工大遥感专业培养方案一、专业解析什么是遥感?遥感技术并不神秘,从字面上说就是从远处感觉事物。
广义地讲,遥感是指不直接接触地收集关于某一定对象的某种或某些特定的信息,从而了解这个对象的性质。
一般多指从人造卫星或飞机对地面观测,并以电磁传播与接收技术,以收取目标的讯息并加以进行分析的技术。
简单理解,就像是在飞机或人造卫星上,安装一台功能强大的照相机,通过图像分析获取想要得到的数据。
举个简单的例子,当我们进行市容规划的时候,为了取得土地的使用情况,如果采用地面测量,工程量将会是非常巨大的,而使用遥感技术,通过空中拍摄取得规划区域的图像信息后,只需要分析这些图片就能够得到这一区域的土地资源信息——绿色的是植被,规则的长方形、正方形是建筑物,深色的是河流……一目了然,快捷准确。
很早以前,人们就希望从空中来观察地球,当时人们使用的是普通的照相机,后来发展成为专门的航空照相机。
航空摄影的技术在世界大战期间获得了长足的发展,基于这种照片的识别技术也得到了提高。
随着飞行器技术的提高,尤其是火箭和卫星的出现,遥感技术获得了一个全新的平台。
现在,遥感技术也日新月异,成为在国民经济建设中不可缺少的一种重要技术。
遥感学什么?在《普通高等学校本科专业目录》中,该专业的全称为遥感科学与技术,属于工学中的测绘类。
遥感科学与技术是在空间科学、地球科学、测绘科学、计算机科学及其他学科交叉渗透、相互融合的基础上发展起来的一门新兴学科。
主要专业课程分为三大系列:计算机科学类、测绘科学与技术类和遥感科学与技术类。
各院校根据培养特色不同,课程设置和人才培养目标也有所差异。
如北京建筑大学遥感科学与技术专业主要课程包括:误差理论与数据处理、摄影测量基础、数字摄影测量、近景摄影测量、地理信息系统原理、遥感物理基础、遥感原理与方法、数字图像处理、遥感技术应用、激光雷达数据处理与应用、微波遥感、高光谱遥感、城市遥感。
该校遥感专业人才培养的主要方向是,掌握遥感科学基本理论、方法和技术,兼具测绘工程、地理信息科学专业知识,适应行业发展的遥感专业人才。
一、实验题目卫星姿态控制物理仿真实验二、实验目的1、掌握飞行器姿态控制系统的光纤陀螺传感器和喷气执行机构、飞行器姿态模拟单轴气浮实验转台、数字信号处理器DSP控制器的功能、性能及应用方法;2、通过演示实验,掌握飞行器姿态控制物理仿真实验原理;3、掌握控制算法和DSP软件开发技术及用C语言在飞行器姿态控制物理仿真专业技术中的应用编程及实验方法。
三、实验任务1、以喷气装置作为执行机构,编写C语言,进行软件设计、编程和实验调试。
2、完成单轴陀螺定姿的转台闭环控制实验,进行姿态角机动20°的控制。
四、实验控制系统原理及框图图1 飞行器姿态控制实验转台系统框图单轴气浮实验转台控制系统原理主要是通过敏感器件(如陀螺,码盘等)测量转台姿态角及角速度等信息,通过DSP控制系统软件计算与理想(设定)状态的误差,并形成控制信息,操纵执行机构(如喷气装置,飞轮等),使转台回到设定位置。
五、控制算法及说明:喷气控制单回路姿态控制动力学方程为:dj T T J +=θ ,()00θθ=t ,()00θθ =t 式中,0θ、0θ 为姿态角、姿态角速度的初值,且00θθ =。
喷气推力器取为理想继电特性,并以线性姿态角θ作为反馈信号,当不计姿态角给定量(0=r θ)时,有控制方程0,0>-θj T()=t T j0,0<+θj T式中,0j T 为()t T j 的幅值。
系统的方框图如图2所示。
图2 喷气推理器取为理想继电特性的单回路姿态稳定系统方框图研究非线性控制系统常用的一种分析方法是相平面法,即在有姿态角θ和姿态角速度θ构成的直角坐标平面(相平面)上,研究θ与θ 间的运动轨迹(相轨迹),进而可获得关于系统过渡过程时间、超调量、极限环等主要姿控指标。
图3 理想喷气推理器的单回路姿态稳定系统的相轨迹图4 相平面法的DSP 实现原理图控制算法为0,≤+s U=U0,>-s U式中,U 为输出的控制量,f θ为角度预期值,M 为气浮转台的力矩,J 为气浮转台的转动惯量。
现代小型月球探测器总体方案设计①李立涛② 杨 涤 崔祜涛(哈尔滨工业大学航天学院 哈尔滨150001)摘 要 基于现代小卫星总体设计的概念和思想,充分借鉴了哈尔滨工业大学探索1号小卫星的设计经验和成果,对小型月球探测器的总体方案进行了设计,对其布局和各分系统进行了设计和分析,重点讨论了GNC 系统的设计方案,并进行了轨道的分析和计算。
关键词 小型月球探测器,总体设计方案,轨道设计0 引言自1994年1月美国发射了克莱门汀21深空探测器并发现月球存在水资源以来,各国掀起了月球探测的新高潮。
从各国发展态势来看,轻小型月球探测器是当今月球探测的发展趋势。
例如美国1998年1月发射的“月球勘测者”探测器、日本将于近期发射的“L UNAR 2A ”月球探测器、欧洲空间局将于2001年发射“SMAR T 21”探测器等。
现代轻小型探测器以其重量轻、多功能、费用低、研制周期短的优点成为当今国际航天界的研究热点,从而对轻小型探测器的总体方案设计思想和轻型化技术提出了新的挑战。
本文从现代小型卫星的概念出发,充分借鉴了哈尔滨工业大学正在研制和试验的探索1号的设计经验和成果,提出了一种现代小型月球探测器的总体设计方案。
1 探测器的任务及分系统组成1.1 任务目标根据研究结果,确定本小型月球探测器的任务目标如下:通过月球探测器的研制和飞行过程的研究,对我国现代轻小型深空探测器的设计、制造等技术进行演示和验证。
通过对小型月球探测器进行轨道设计和优化及飞行过程中的实际轨迹控制,对深空目标(月球和行星)的轨道设计、轨道规划、轨道优化及控制技术进行演示和验证。
作为一个长期的空间平台并以此为突破口,对几项深空探测的关键技术进行演示和验证,同时对适用于轻小型卫星和探测器的遥感器和有效载荷进行实验和验证。
通过对月球表面进行较全面的测绘和遥感及对近月空间环境进行探测,以获取第一批有关月球数据,为以后的奔月飞行作准备。
1.2 总体设计思路本文应用现代小卫星的先进总体设计思想,充分借鉴了美国的Clementine 21型探测器及哈工大探索1号微小卫星的设计经验和技术,设计了现代小型月球探测器的总体方案,使探测器的重量限制在220kg 以下(干重),功率限制在400W 下。
一、实验名称遥感卫星近地圆轨道设计及仿真二、实验要求设计一个卫星用途为遥感卫星,要求卫星对福建省福州地区进行全天候观测,轨道选用低轨圆轨道,1天内至少要经过福州上空6次,轨道高度为272km,要求卫星模型具有合适大小。
三、实验步骤1、双击桌面上的STK9图标,启动软件在弹出的warning窗口中,单击Continue Startup按钮,然后新建场景,单击Create a New Scenario;2、在弹出的窗口中修改场景的名称name,同时设置仿真分析的起始时间为1 Jul 2007 12:00:00.000 UTCG和终止时间2 Jul 2007 12:00:00.000 UTCG,设置完成后点击ok按钮,然后我们即可在Object Browser (对象浏览器)中看到新建的场景Scenario1,如果自动跳出一个叫做“Insert STK Objects”的窗口;3、在场景中填加卫星:在“Insert STK Objects”窗口的Scenario Objects下单击Satellite 图标,然后在右方的Select A Method下单击选中Insert Default图标,单击“Insert…”按钮,在“Object Browser”窗口添加了Satellite1图标,生成一颗卫星。
4、在卫星上填加敏感器:继续在“Insert STK Objects”窗口的Attached Objects下单击Sensor图标,然后在右方的Select A Method下单击选中Insert Default图标,单击“Insert…”按钮。
此时会弹出“Select Object”窗口,单击“OK”按钮,在在“Object Browser”窗口添加了Sensor1图标。
5、在场景中填加目标城市福州:继续在“Insert STK Objects”窗口的Scenario Objects 下单击Target图标,然后在右方的Select A Method下单击选中Select From City Database图标,单击“Insert…”按钮,会弹“Insert From City Database”窗口。
深空探测中的航天器轨道设计深空探测是人类探索宇宙和拓展科学知识的重要途径之一,而航天器轨道的设计则是深空探测任务中不可或缺的一环。
航天器轨道设计的合理性和有效性直接影响着任务的成功与否。
本文将探讨深空探测中航天器轨道设计的重要性、设计原则以及常见的轨道类型。
深空探测航天器轨道设计的重要性不言而喻。
首先,合理的轨道设计可以最大程度地满足科学探测任务的需求。
不同的探测目标和科学问题需要不同的轨道要求,例如对太阳系行星的探测,需要选择合适的轨道距离和轨道周期,以便精确观测目标并采集必要的科学数据。
此外,合理的轨道设计还可以最大程度地利用航天器的能源和资源,提高任务的效率和成果。
在深空探测航天器轨道设计中,有一些基本的设计原则需要遵循。
首先,稳定性是设计轨道的首要原则。
深空探测航天器需要在极端环境中运行,轨道的稳定性可以保证航天器在长期的探测任务中保持平衡和姿态的稳定。
其次,安全性是轨道设计的重要考虑因素。
航天器在进入轨道和离开轨道的过程中需要经历大气层和天体引力场的影响,设计时需要考虑这些因素并避免潜在的危险。
在深空探测中,常见的轨道类型包括地心轨道、太阳同步轨道和椭圆轨道等。
地心轨道是以地球为中心的轨道,适用于近地点探测任务,例如对地球观测、地理测量等。
太阳同步轨道是一种特殊的地球轨道,航天器在该轨道上的运行周期与太阳的相对位置保持稳定,适用于太阳系行星和卫星的探测任务。
椭圆轨道是一种椭圆形的轨道,航天器在轨道的近地点和远地点分别运动,在深空探测中常被用于对行星和小行星的探测。
针对不同的任务需求和科学问题,轨道设计需要综合考虑多个因素。
例如,对于远距离探测任务,航天器需要在较长时间内抵达目标,因此轨道需要考虑行星引力的影响以实现更高的速度和更短的时间。
对于近距离探测任务,为了保证精确观测和采集科学数据,轨道设计需要尽可能接近目标,但也需要考虑到引力势场和轨道调整的难度。
深空探测航天器轨道设计的挑战在于多个因素的综合考虑和权衡。
哈工大深空探测轨道设计课程作业1. 课程哈工大深空探测轨道设计课程是哈尔滨工业大学航天学院本科课程之一,旨在帮助学生掌握深空探测器轨道设计的基本理论和方法,从而能够设计符合任务需求的轨道,并考虑花费和卫星的稳定性等问题。
本课程作业是在学习课程理论基础的基础上进行的,要求学生完成一项深空探测器轨道设计。
2. 作业要求作业要求学生选择一个深空探测器任务,进行轨道设计。
具体要求如下:1.选择一个深空探测器任务,包括但不限于月球探测、火星探测、木星探测等;2.研究任务的需求,包括探测器的有效载荷、科学目标、任务周期等;3.根据任务需求,设计一个轨道方案,要求考虑轨道类型,轨道倾角,近地点,远地点等参数;4.对轨道进行稳定性分析,确保探测器可以在轨道上稳定工作;5.对轨道进行优化,达到较低的花费和高的稳定性。
3. 设计过程我选择的是一个月球探测任务。
根据任务需求,探测器需要完成月球表面的地形测量、成分分析以及磁场等方面的观测。
根据任务周期要求,轨道周期应为28天,即一个年月的时间。
在此基础上,我进行了轨道设计。
首先,我根据任务需求,选择了环月轨道。
因为这种轨道可以在月球表面不同位置进行研究,完成月球表面全面地形测量和成分分析。
其次,为了保证探测器在不同位置都能够有足够的观测时间,我选择了近月点高度为50公里,远月点为500公里的椭圆轨道,轨道倾角为30度。
接下来,我进行了稳定性分析。
通过计算探测器在轨道上的姿态运动方程,确定了探测器应当安装哪些姿态控制设备,并对其进行了轨道稳定性分析。
我经过计算发现,探测器在轨道上的稳定时间可以达到24小时以上,能够满足任务要求。
最后,我对轨道进行了优化。
通过计算发现,探测器在当前轨道上的供电需求较高,因此我对轨道进行了优化,使得探测器在轨道上得到更好的遮阳,从而减少能耗损耗,达到了较低的花费和高的稳定性。
4.通过本次作业,我深刻认识到了深空探测器轨道设计的重要性和复杂性。
一、实验名称
遥感卫星近地圆轨道设计及仿真
二、实验要求
设计一个卫星用途为遥感卫星,要求卫星对福建省福州地区进行全天候观测,轨道选用低轨圆轨道,1天内至少要经过福州上空6次,轨道高度为272km,要求卫星模型具有合适大小。
三、实验步骤
1、双击桌面上的STK9图标,启动软件在弹出的warning窗口中,单击Continue Startup按钮,然后新建场景,单击Create a New Scenario;
2、在弹出的窗口中修改场景的名称name,同时设置仿真分析的起始时间为1 Jul 2007 12:00:00.000 UTCG和终止时间2 Jul 2007 12:00:00.000 UTCG,设置完成后点击ok按钮,然后我们即可在Object Browser (对象浏览器)中看到新建的场景Scenario1,如果自动跳出一个叫做“Insert STK Objects”的窗口;
3、在场景中填加卫星:在“Insert STK Objects”窗口的Scenario Objects下单击Satellite 图标,然后在右方的Select A Method下单击选中Insert Default图标,单击“Insert…”按钮,在“Object Browser”窗口添加了Satellite1图标,生成一颗卫星。
4、在卫星上填加敏感器:继续在“Insert STK Objects”窗口的Attached Objects下单击Sensor图标,然后在右方的Select A Method下单击选中Insert Default图标,单击“Insert…”按钮。
此时会弹出“Select Object”窗口,单击“OK”按钮,在在“Object Browser”窗口添加了Sensor1图标。
5、在场景中填加目标城市福州:继续在“Insert STK Objects”窗口的Scenario Objects 下单击Target图标,然后在右方的Select A Method下单击选中Select From City Database图标,单击“Insert…”按钮,会弹“Insert From City Database”窗口。
在City Name输入“Fuzhou”,单击“Search”按钮,选中下面出现的列表中Province列为Fujian的那一行,单击“Insert”按钮,单击“Close”按钮,在“Object Browser”窗口添加了Fuzhou图标,即在场景中添加了目标福州。
单击“Insert STK Objects”窗口中的“Close”按钮。
6、设置场景属性,单击三维图像窗口上任意一点,然后单击右键,在菜单中选中“Properties…”选项,会弹出“3D Graphics 1-Earth: Details”窗口,在窗口左侧单击“Details”选项,在Lat/Lon Lines栏下选中Show;然后选中Grids选项,在ECI Coordinates栏下选中Show,单击OK退出。
7、在“Object Browser”(对象浏览器)中选中Satellite1,单击右键,在弹出的菜单中选择Rename,将这颗卫星命名为LEO(低轨卫星)。
8、在“Object Browser”(对象浏览器)中选中Sensor1,单击右键,在弹出的菜单中选择Properties,弹出“Sensor1 : Basic Definition”窗口,将Cone Angle(锥角)设置为80度,单击OK退出。
9、确定轨道参数。
根据题目要求,可以将动画仿真时间设为24小时。
为了保证遥感卫星上照相机的分辨率,卫星轨道高度不能太高,一般在200—300千米之间,本题近地点高度和远地点高度均设为272km。
由于卫星轨道高度较低,为了保证卫星可以覆盖福州,轨道倾角应不小于20度,为了保证一天内卫星对福州的侦查次数,轨道倾角不能太大,一般在40度左右,本题选42.8度。
此外,也可通过改变升交点赤经(RAAN)和真近点角(True Anomaly)来调整卫星轨道。
10、在对象浏览器中选中LEO,单击右键,在弹出的菜单中选择Properties选项,打开“LEO:Basic Orbit”窗口。
选中窗口左边的Orbit,设置本题的卫星轨道参数如下表所示:
区域数值含义
Start Time 1 Jul 2007 12:00:00.000 UTCG 仿真起始时间为2007-1-1,12时整
Stop Time 2 Jul 2007 12:00:00.000 UTCG 仿真结束时间为2013-1-2,4时整
Step Size 60 sec 动画仿真步长为1分钟
Apogee Altitude 272 km 轨道远地点高度为272千米
Perigee Altitude 272 km 轨道近地点高度为272千米Inclination 42.8 deg 轨道倾角为42.8度Argument of Perigee 0.0 deg 近地点角距为0度
RAAN 189.304 deg 升交点赤经为189.304度
True Anomaly 26.071deg 真近点角为26.071度
11、选中3D Graphics项下的Model选项,拖动Log Scale选项条调整卫星模型至合适大小,将Detail Thresholds下的选项都通过选项条调整到最大。
单击OK按钮,生成相应轨道。
单击动画播放按钮,即可观察卫星在二维和三维窗口中的运动情况,观察二维窗口,可发现一天内卫星有六次覆盖福州,满足题目要求。
12、在对象浏览器中选中Sensor1,单击鼠标右键,在弹出的菜单中选择“Access…”选项,在弹出的窗口中,在Associated Objects下选中Fuzhou,单击“Compute”按钮,完成运算。
再单击“Access…”按钮,生成Access Summary Report。
13、在对象浏览器中选中LEO,单击右键,在弹出的菜单中选择“Report & Graph Manager…”选项,在弹出的窗口右侧,单击选中第二个Classical Orbit Elements选项,单击“Generate…”按钮,生成LEO卫星运动过程中各参数的变化。
14、保存新建的场景,退出当前场景。
四、仿真结果与分析
㈠卫星飞行的动画仿真的图像如图一、图二所示:
图一 3D Graphics 1-Earth图
由三维窗口可以看出此轨道为圆轨道类型及轨道倾角
图二 2D Graphics 1-Earth图
由二维窗口可以看出卫星中星下点轨迹,可以看出覆盖福州。
㈡传感器总结报表(Access Summary Report)如图三所示:
图三卫星LEO-传感器—福州:测量数据报告
在生成的报表中可以清楚的看出,卫星一天内有九次可以监测到福州,符合实验要求。
㈢简要讨论卫星各参数对观测结果的影响
若传感器锥角不变,当轨道高度变大时,观测范围会增大,但信号会变模糊;若轨道高
度不变,当传感器锥角变大时,观测范围也会增大,但传感器工作性能会受到影响。
这两种
情况均对测量不利。
若轨道高度与传感器锥角均不变,当轨道倾角改变时,卫星的星下点轨
迹覆盖范围会随之改变,一天内观测福州的次数也会改变。
就本题而言,轨道倾角越小,卫
星星下点轨迹覆盖范围越大,一天内观测福州的次数越多。