CBRR2467 (692833), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

- период Т = 5765 с.

- высота орбиты Н = 574 км.

- наклонение орбиты i = 97,6°.

- географическая долгота восходящего узла орбиты l_э = 28,1°.

Долгота восходящего узла в геоцентрической экваториальной (абсолютной) системе координат OXYZ определяется как разность

l_э - s₀,

где s₀ - часовой угол, отсчитывающийся от гринвичского мери­диана до оси X, направленной в точку весеннего равноденствия.

Часовой угол зависит от даты старта и выбирается из астроно­ми­ческого ежегодника. В данной задаче для моделирования вы­бран часовой угол = 0.

Следовательно долгота восходящего узла орбиты W = l_э = 28,1°.

Исходя из ТЗ, начальная точка выведения имеет следующие ко­ор­динаты в гринвичской системе координат, фиксированной на момент старта РН:

Элементы орбиты:

Кинематические параметры в геоцентрической экваториальной системе координат:

Точность выведения:

- предельная ошибка по координате (3s) - 7 км.

- предельная ошибка по скорости (3s) - 5 м/с.

Пересчитав ошибку по координате на ошибку по периоду выве­дения орбиты получим предельную ошибку по периоду DT - 10 сек.

Корреляционная матрица ошибок выведения на момент выведе­ния составляет:

Члены, стоящие на главной диагонали представляют собой квад­раты предельных ошибок - (3s)².

K₁₁ = K₂₂ = K₃₃ = (3s)² = 7² = 49 км.

K₄₄ = K₅₅ = K₆₆ = (3s)² = 5² = 25 м/с.

Остальные члены представляют собой вторые смешанные мо­менты K_ij = K_ji = r_ijs_is_j или K_ij = K_ji = r_jj(3s_i)(3s_j), где r_jj - коэффици­енты связи величин i и j. В данном случае вторые смешанные мо­менты K_ij = K_ji = 0.

Кинематические параметры в геоцентрической экваториальной системе координат на момент выведения с учетом ошибок выведе­ния:

Параметры орбиты с учетом ошибок выведения:

2.3.2. ЦЕЛИ РАБОТЫ

1) Исследование и моделирование движения ЦМ МКА при воз­действии на КА возмущающих ускорений.

2) Разработка алгоритмов проведения коррекции траектории МКА, моделирования процесса, и расчет потребного топлива для проведения коррекции траектории.

3) Исследование динамики системы коррекции траектории при стабилизации углового положения в процессе проведения коррек­ции траектории МКА.

2.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЦЕНТРА МАСС МКА

2.4.1.УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ КА

Рассмотрим невозмущенное движение материальных точек М и m в некоторой инерциальной системе координат. Движение совер­ша­ется под действием силы притяжения F_z. Сила F_z для материаль­ной точки m определяется формулой:

,

где ¦ - постоянная притяжения,

r_o - единичный вектор, направленный от М к m,

,

где - радиус-вектор, проведенный из т.М до т.m.

r - относительное расстояние от М до m.

На точку М действует сила F_z, равная по величине и направлен­ная в противоположную сторону.

На основе второго закона Ньютона уравнения движения матери­альных точек М и m имеют вид:

(1), (2)

или

(3), (4)

где p₁ - радиус-вектор, проведенный из начала инерциальной сис­темы координат в точку m.

p₂ - радиус-вектор, проведенный из начала инерциальной сис­темы координат в точку М.

.

Вычитая из уравнения (3) уравнение (4), получим уравнение дви­жения мате­риальной точки m относительно притягивающего цен­тра М:

Так как m<<М, следовательно, можно пренебречь ускорением, которое КА с массой m сообщает притягивающему центру М. То­гда можно совместить начало инерциальной системы координат с при­тягивающим центром М. Следовательно, .

Таким образом, уравнение невозмущенного движения КА отно­сительно притягивающего центра М в инерциальной системе коор­динат, центр которой находится в М, имеет вид

,

где m = fM - гравитационная постоянная Земли.

Рассмотрим возмущенное движение КА в геоцентрической эква­ториальной (абсолютной) системе координат OXYZ:

- начало О - в центре масс Земли.

- ось X направлена в точку весеннего равноденствия g.

- ось Z совпадает с осью вращения Земли и направлена на Север­ный полюс Земли.

- ось Y дополняет систему до правой.

Движение КА в абсолютной системе координат OXYZ происхо­дит под действием центральной силы притяжения Земли F_z, а также под действием возмущающих сил F_в. Уравнение движения имеет вид

или

где m = 597 кг - масса КА.

В проекциях на оси абсолютной системы координат OXYZ полу­чим

или

или

или

где ax_в, ay_в, az_в - возмущающиеся ускорения.

Основные возмущающиеся ускорения вызываются следующими причинами:

- нецентральностью поля притяжения Земли.

- сопротивлением атмосферы Земли.

- влиянием Солнца.

- влиянием Луны.

- давлением солнечного света.

2.4.2. ВОЗМУЩАЮЩИЕ УСКОРЕНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА МКА

1) Возмущающееся ускорение, вызванное нецентральностью гра­витационного поля Земли.

Рассмотрим потенциал поля притяжения Земли. При точном рас­чете параметров орбиты спутников, в качестве хорошего прибли­же­ния к действительной поверхности Земли принимают геоид. Геоид - это гипотетическая уровенная поверхность, совпадающая с поверх­ностью спокойного океана и продолженная под материком.

Иногда в баллистике под геоидом понимают не поверхность, а тело, которое ограничено поверхностью мирового океана при не­ко­тором среднем уровне воды, свободной от возмущений. Во всех точках геоида потенциал притяжения имеет одно и то же значение.

Потенциал притяжения Земли можно представить в виде разло­же­ния по сферическим функциям.

где m_z = fM_z - гравитационная постоянная Земли.

r₀ - средний экваториальный радиус Земли.

с_nm, d_nm - коэффициенты, определяемые из гравиметрических дан­ных, а также по наблюдениям за движением ИСЗ.

L - долгота притягивающей точки.

j - широта притягивающей точки.

P_nm(sinj) - присоединенные функции Лежандра степени m и по­рядка n (при m ¹ 0).

P_nm(sinj) - многочлен Лежандра порядка n (при m = 0).

Составляющие типа (m_z/r)(r₀/r)ⁿc_n0P_n0(sinj) - называют зональ­ными гармониками n-по­рядка. Т.к. полином Лежандра n-го по­рядка имеет n действительных корней, функция P_n0(sinj) будет ме­нять знак на n широтах, сфера делится на n+1 широтную зону, где эти составляю­щие имеют попеременно «+» или «-» значения. По­этому их называют зональными гармониками.

Составляющие типа

(m_z/r)(r₀/r)ⁿc_nmcos(mL)P_nm(sinj) и (m_z/r)(r₀/r)ⁿd_nmsin(mL)P_nm(sinj)

- называют тессеральными гармониками n-порядка и степени m. Они обращаются в 0 на 2m меридианах, где cos(mL) = 0 и sin(mL) = 0 и на n-m параллелях, где P_nm(sinj) = 0 или d^mP_nm(sinj)/d(sinj)^m = 0, сфера делится на n+m+1 трапецию, где эти составляющие сохра­няют знак.

Составляющие типа и

(m_z/r)(r₀/r)ⁿc_nncos(nL)P_nn(sinj) и (m_z/r)(r₀/r)ⁿd_nnsin(nL)P_nn(sinj)

- называют секториальными гармониками n-порядка и степени m. Эти составляющие меняю знак только на меридианах, cos(nL) = 0 и sin(nL) = 0, на сфере выделяют 2n меридиональных секторов, где эти составляющие со­храняют знак.

Многочлен Лежандра степени n находится по следующей фор­муле:

P_n0(z) = 1/(2ⁿn!)´(dⁿ(z² - 1)ⁿ/dzⁿ)

Присоединенная функция Лежандра порядка n и степени m нахо­дится по следующей формуле:

P_nm(z) = (1-z²)^m/2´d^mP_n0(z)/dz^m

Возмущающая часть гравитационного потенциала Земли равна

U_в = U’ + DU’ = (U - m_z/r) + DU’

где DU’ - потенциал аномалий силы тяготения Земли.

U’ - часть потенциала Земли, которая учитывает несферичность Земли.

Следовательно,

Первая зональная гармоника в разложении потенциала учиты­вает полярное сжатие Земли.

Зональные гармоники нечетного порядка и тессеральные гармо­ники, где n-m нечетное число - учитывают ассиметрию Земли отно­сительно плоскости экватора.

Секториальные и тессеральные гармоники - учитывают ассимет­рию Земли относительно оси вращения.

Первая зональная гармоника имеет порядок 10^-3, а все остальные - порядок 10^-6 и выше. Поэтому будем учитывать в разложении по­тен­циала притяжения только зональную гармонику (n=2, m=0) и секторальную гармонику (n=2, m=2). Также не будем учитывать потенциал аномалий силы тяго­тения Земли DU’.

Таким образом,

U_в = (m_z/r)(r₀/r)²[c₂₀P₂₀(sinj) + (c₂₂cos(2L) + d₂₂sin(2L))P₂₂(sinj)],

где c₂₀ = - 0,00109808,

c₂₂ = 0,00000574,

d₂₂ = - 0,00000158.

P₂₀(x) = 1/2²2!´d²(x² - 1)²/dx².

Следовательно P₂₀(x) = (3x² - 1)/2.

Так как sinj = z/r, следовательно P₂₀(sinj) = (3(z/r)² - 1)/2.

P₂₂(x) = (1 - x²)^2/2´d²P₂₀(x)/dx² = 1/2´(1 - x²)´d²(3x² - 1)/dx²

Следовательно P₂₂(x) = 3(1 - x²).

Так как sinj = z/r, следовательно P₂₂(sinj) = 3(1 - (z/r)²).

Значит

Чтобы найти возмущающее ускорение от нецентральности поля тяготения Земли в проекциях на оси абсолютной системы коорди­нат OXYZ, надо взять производные от возмущающего потенциала U_в по координатам X, Y, Z, причем r = Ö(x² + y² + z²).

Следовательно,

2) Возмущающее ускорение, вызванное сопротивлением атмо­сферы.

При движении в атмосфере на КА действует сила аэродинамиче­ского ускорения R_x, направленная против вектора скорости КА от­но­сительно атмосферы:

где C_x = 2 - коэффициент аэродинамического сопротивления.

S_м = 2,5 м² - площадь миделевого сечения - проекция КА на плос­кость, пер­пендикулярную направлению скорости полета.

V - скорость КА.

r - плотность атмосферы в рассматриваемой точке орбиты.

Так как исследуемая орбита - круговая с высотой Н = 574 км, бу­дем считать, что плотность атмосферы одинакова во всех точках ор­биты и равна плотности атмосферы на высоте 574 км. Из таб­лицы стандартной атмосферы находим плотность наиболее близ­кую к вы­соте Н = 574 км. Для высоты Н = 580 км r = 5,098´10^-13 кг/м³.

Сила аэродинамического ускорения создает возмущающее каса­тельное ускорение a_a:

Найдем проекции аэродинамического ускорения на оси абсолют­ной системы координат a_xa, a_ya, a_za:

a_a направлено против скорости КА, следовательно единичный век­тор направления имеет вид

e_a = [V_x/|V|, V_y|V|, V_z/|V|], |V| = Ö(V_x²+V_y² +V_z²)

Таким образом,

Значит

, ,

3) Возмущающее ускорение, вызванное давлением солнечного света.

Давление солнечного света учитывается как добавок к постоян­ной тяготения Солнца - Dm_c. Эта величина вычисляется следующим об­разом:

Dm_c = pS_мA²/m

где p = 4,64´10^-6 Н/м² - давление солнечного света на расстоянии в одну астрономи­ческую единицу А.

A = 1,496´10¹¹ м - 1 астрономическая единица.

m - масса КА.

S_м = 8 м² - площадь миделевого сечения - проекция КА на плос­кость, пер­пендикулярную направления солнечных лучей.

Таким образом,

Dm_c = 1,39154´10¹⁵ м³/c².

4) Возмущающее ускорение, возникающее из-за влияния Солнца.

Уравнение движения КА в абсолютной системе координат OXYZ относительно Земли при воздействии Солнца:

где m_z - постоянная тяготения Земли.

m_c - постоянная тяготения Солнца.

r - радиус-вектор от Земли до КА.

r_c - радиус-вектор от Земли до Солнца.

Таким образом, возмущающее ускорение, возникающее из-за влияния Солнца:

.

Здесь первое слагаемое есть ускорение, которое полу­чил бы КА, если он был непритягиваю­щим, а Земля отсутствовала.

Второе слагаемое есть ускорение, которое сообщает Солнце Земле, как непритягиваю­щему телу.

Следовательно, возмущающее ускорение, которое получает КА при движении относительно Земли - это разность двух слагаемых.

Так как r_c>>r, то в первом слагаемом можно пренебречь r. Следо­ва­тельно

| r_c - r| = Ö((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²)

где x_c, y_c, z_c - проекции радиуса-вектора Солнца на оси абсолют­ной сис­темы координат.

Моделирование движения Солнца проводилось следующим об­ра­зом: за некоторый промежуток времени t Солнце относительно Земли сместится на угол J = J_н + w_ct,

где J_н = W + (90 - D) - начальное положение Солнца в эклиптиче­ской системе коор­динат.

W = 28,1° - долгота восходящего узла первого витка КА.

D = 30° - угол между восходящим узлом орбиты КА и терминато­ром.

w_c - угловая скорость Солнца относительно Земли.

w_c = 2p/T = 2p/365,2422´24´3600 = 1,991´10^-7 рад/c = 1,14´10^-5 °/c

Таким образом, в эклиптической системе координат проекции составляют:

x_c^e = r_ccosJ

y_c^e = r_csinJ

z_c^e = 0

r_c = 1,496´10¹¹ м (1 астрономическая единица) - расстояние от Земли до Солнца

Плоскость эклиптики наклонена к плоскости экватора на угол e = 23,45°, проекции r_c на оси абсолютной системы координат можно найти как

x_c = x_c^e = r_ccosJ

y_c^e = y_c^ecose = r_ccosJcose

z_c^e = r_csinJsine

Таким образом, проекции возмущающего ускорения на оси абсо­лютной системы координат:

a_xc = - m_cx/(Ö((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

a_yc = - m_cy/(Ö((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

a_zc = - m_cz/(Ö((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

С учетом солнечного давления

a_xc = - (m_c-Dm_c)x/(Ö((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

a_yc = - (m_c-Dm_c)y/(Ö((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

a_zc = - (m_c-Dm_c)z/(Ö((x_c-x)²+(y_c-y)²+(z_c-z)²))³

5) Возмущающее ускорение, возникающее из-за влияния Луны.

Уравнение движения КА в абсолютной системе координат OXYZ относительно Земли при воздействии Луны:

где m_л = 4,902´10⁶ м³/c²- постоянная тяготения Луны.

r_л - радиус-вектор от Земли до Луны.

Таким образом, возмущающее ускорение, возникающее из-за влияния Луны:

Так как r_л>>r, то в первом слагаемом можно пренебречь r. Следо­ва­тельно

|r_л - r| = Ö((x_л-x)²+(y_л-y)²+(z_л-z)²)

где x_л, y_л, z_л - проекции радиуса-вектора Луны на оси абсолютной системы координат.

Движение Луны учитывается следующим образом: положение Луны в каждый момент времени рассчитывается в соответствии с данными астрономического ежегодника. Все данные заносятся в массив, и далее этот массив считается программой моделирования движения КА. В первом приближении принимается:

- орбита Луны - круговая.

- угол наклона плоскости орбиты Луны к плоскости эклиптики i = 5,15°.

- период обращения линии пересечения плоскостей лунной ор­биты и эклиптики (по ходу часовой стрелки, если смотреть с север­ного полюса) = 18,6 года.

Угол между плоскостями экватора Земли и орбиты Луны можно найти по формуле

cos(h_л) = cos(e)cos(i) - sin(e)sin(i)cos(W_л)

где W_л - долгота восходящего узла лунной орбиты, отсчитыва­ется от направления на точку весеннего равноденствия.

e - угол между плоскостями эклиптики и экватора Земли.

Величина h_л колеблется с периодом 18,6 лет между минимумом при h_л = e - i = 18°18’ и максимумом при h_л = e + i = 28°36’ при W = 0.

Долгота восходящего узла лунной орбиты W_л изменяется с тече­нием времени t на величину W_л = t´360/18,6´365,2422´24´3600.

Положение Луны на орбите во время t определяется углом

J _л = t´360/27,32´24´3600.

По формулам перехода найдем проекции вектора положения Луны на оси абсолютной системы координат:

x_л = r_л(cosJ_лcosW_л - cosh_лsinJ_лsinW_л)

y_л = r_л(cosJ_лsinW_л + cosh_лsinJ_лcosW_л)

z_л = r_лsinh_лsinJ_л

r_л = 3,844´10⁸ м - среднее расстояние от Земли до Луны

Таким образом, проекции возмущающего ускорения на оси абсо­лютной системы координат:

Характеристики

Список файлов реферата