(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210770278.1 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 李兴冀　吕钢　杨剑群　韩煜　 (74)专利代理 机构 北京隆源天恒知识产权代理 有限公司 1 1473 专利代理师 丁晴晴 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 119/12(2020.01) (54)发明名称 空间原子氧与紫外辐照综合作用 仿真过程 的实时表征方法 (57)摘要 本发明提供了一种空间原子氧与紫外辐照 综合作用仿真过程的实时表征方法， 属于航空航 天技术领域。 本发明对在轨运行的空间飞行器在 空间原子氧和紫外辐射的综合环境中进行仿真 表征以研究紫外与原子氧效应时， 对飞行器以四 元数方式进行运行姿态的表征， 并根据空间飞行 器的运行姿态和太阳紫外辐射入射方向共同确 定飞行器的受紫外电磁辐射的作用表 面， 对飞行 器的空间位置和运行速度进行表征， 并结合飞行 器的运行姿态以及根据原子氧计算模型得到的 空间原子氧环 境， 共同确定飞行器与原子氧的相 互作用。 本发 明综合考虑了空间飞行器的迎风面 和受晒面， 能够较为真实的考虑空间飞行器在轨 运行期间受晒和迎原子氧的空间环境实时量化 表征。 权利要求书3页 说明书15页 附图7页 CN 115130220 A 2022.09.30 CN 115130220 A 1.一种空间原子氧与紫外辐照综合作用仿真过程的实时表征 方法， 其特 征在于， 包括： 根据仿真开始时间和仿真结束时间确定实时仿真的计算范围； 根据仿真步长， 从所述仿真开始时间不断累加所述仿真步长， 得到步进的仿真时刻； 解算每一所述仿真时刻的空间原子氧与紫外辐射综合环境的实时量化表征， 具体包 括： 获取空间中太阳紫外电磁辐射的入射方向， 对于同一所述仿真时刻中的每颗运行的卫星， 获取所述卫星在惯性系中的三维坐标和 运行速度参数， 所述三维坐标和所述运行速度参数用以表征所述空间飞行器的位置和运行 速度， 获取所述卫星的四元数姿态参数， 所述 四元数姿态参数用以表征所述空间飞行器的运 行姿态， 根据原子氧计算模型获取原子氧数密度， 所述原子氧数密度用以表征空间原子氧环 境， 根据所述空间飞行器的运行姿态以及所述太阳紫外电磁辐射的入射方向， 分析所述空 间飞行器受紫外电磁辐射的作用表面， 根据所述空间飞行器的运行速度和运行姿态以及所 述空间原子氧环境， 分析 所述空间飞行器所受的原子氧作用。 2.根据权利要求1所述的空间原子氧与紫外辐照综合作用仿真过程的实时表征方法， 其特征在于， 所述太阳紫外电磁辐 射的入射方向的获取方法包括： 假设地球附近运行 的所 述空间飞行器所 受的太阳光均为平行光， 根据JPL 公布的DE430星历表获取太阳在所述仿 真 时刻时、 J2000地心坐标系下的空间位置坐标， 并获取由地心指向太阳质心的方向向量， 对 所述方向向量取反并进 行单位化， 得到太阳光线在J2000地心 坐标系下的方向矢量， 所述方 向矢量为所述太阳紫外电磁辐射的入射方向。 3.根据权利要求1所述的空间原子氧与紫外辐照综合作用仿真过程的实时表征方法， 其特征在于， 所述空间飞行器的位置和 运行速度的获取方法包括： 根据二体运动方程和开 普勒三定律， 获取在轨运行 的所述空间飞行器的轨道根数， 根据所述轨道根数获取所述空 间飞行器在惯性系中的位置和运行速度。 4.根据权利要求1所述的空间原子氧与紫外辐照综合作用仿真过程的实时表征方法， 其特征在于， 所述获取 所述卫星的四元 数姿态参数包括： 定义轨道坐标系为O0X0Y0Z0， 旋转轴e在所述轨道坐标系中的方向向量为e＝(Cx， Cy， Cz)， 其中， (Cx， Cy， Cz)表示方向余弦， 所述轨道 坐标系绕所述旋转轴e旋转α角度得到卫星本体坐 标系ObXbYbZb， 则所述卫星的四元 数姿态参数q为： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115130220 A 2其中， q1、 q2、 q3为矢量分量， q0为标量分量， 且q12+q22+q32+q02＝1。 5.根据权利要求1所述的空间原子氧与紫外辐照综合作用仿真过程的实时表征方法， 其特征在于， 所述原子氧计算模型包括NRLMSISE ‑00大气模型， 所述NRLMSISE ‑00大气模型 的输入包括当年1月1日至当天的天数、 当天00:00:00至求解时刻的秒数、 地理经度、 地理纬 度、 海拔、 前一天的太阳10.7cm辐射流量、 81d的平均太阳10.7cm辐射流量、 根据当天平均地 磁指数和求 解时刻之前的20个3 h平均地磁指数获得的8位数组。 6.根据权利要求5所述的空间原子氧与紫外辐照综合作用仿真过程的实时表征方法， 其特征在于， 所述地理经度和所述地理纬度是利用坐标系变换， 将惯性系中所述卫星的三 维坐标变换到WGS ‑84坐标系下的经纬高坐标。 7.根据权利要求6所述的空间原子氧与紫外辐照综合作用仿真过程的实时表征方法， 其特征在于， 所述坐标系变换包括J2000坐标系 与地心地固坐标系的变换， 根据第二 公式确 定所述J20 00坐标系到所述 地心地固坐标系的总体 变换矩阵HG， 所述第二公式为： HG＝(PR)(NR)(ER)(EP)； 式中， PR为岁差矩阵， NR为 章动矩阵， ER为 地球自转矩阵， EP为极移 矩阵； 通过第三公式求得 所述岁差矩阵， 所述第三公式为： PR＝Rz(‑zA)Ry(‑θA)Rz(‑ζA)； 式中： Rz表示对所述J2000坐标系的Z轴进行欧拉角坐标变换， Ry为对所述J2000坐标系 的Y轴进行欧拉角坐标变换， zA， θA， ζA为岁差常数， 通过第四公式计算得到， 所述第四公式 为： 所述第四公式 中： T为自J20 00.0起算的儒略世纪数； 通过第五 公式求得 所述章动矩阵， 所述第五 公式为： NR＝RX(‑εA)Rz(‑Δ ψ )RX(‑εA+Δ ε )； 所述第五公式中： εA为历元平黄赤交角， Δ ψ为黄经章动， Δ ε为黄赤交角章动， RX为对所 述J2000坐标系的X轴进行欧拉角坐标变换； 通过第十公式求得 所述地球自转矩阵， 所述第十公式为： ER＝Rz( θG)； 所述第十公式 中， θG为格林尼治恒星时； 通过第十三公式求得 所述极移 矩阵， 所述第十三公式为： EP＝RY(‑xp)RX(‑yp)； 式中， xp、 yp为地极坐标。 8.根据权利要求7所述的空间原子氧与紫外辐照综合作用仿真过程的实时表征方法， 其特征在于， 所述坐标系变换还包括地心大地坐标系与所述地心地固坐标系的变换， 所述 地心大地坐标系包括WGS ‑84坐标系， 设目标在所述WGS ‑84坐标系下的坐标为(lon， lat， alt)， 根据第十四公式确定所述目标在所述地心地固坐标系下的坐标(xd， yd， zd)， 所述第十 四公式为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115130220 A 3