基于分部件建模的在轨卫星可见光散射特性研究

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基于卫星的空间目标散射特性研究,为空间目标的探测、识别、隐身,以及天基目标武器研制提供了重要的理论支持,对于国防安全至关重要。该研究主要包括材料BRDF测量计算、卫星轨道与姿态仿真计算、卫星散射强度以及天地背景辐射计算等方面。本文从散射基本量、太阳辐射与太阳位置、卫星轨道与姿态等理论层面,推导得到静态卫星与在轨卫星的可见光波段(380-780 nm)散射强度算法,基于分部件建模,计算了静态卫星与在轨卫星可见光散射强度分布。本文主要包括以下内容:首先,介绍了卫星散射特性研究的理论基础。介绍了辐射基本量的定义与计算;介绍了黑体辐射定律,并利用该定律计算了可见光波段的太阳辐射照度;介绍了BRDF的定义以及五参数统计模型;介绍了太阳位置的计算方法。其次,分析了卫星的轨道与姿态系统。介绍了描述卫星轨道的笛卡尔轨道根数与开普勒轨道根数,推导得到了两种轨道根数的转换计算式;介绍了在轨卫星的空间坐标系的定义,推导得到各坐标系的转换矩阵,包括地心惯性坐标系、地心固连坐标系,轨道坐标系、本体坐标系以及面元坐标系;介绍了描述在轨卫星姿态的三种方法,包括欧拉角、四元数、YPR,利用各姿态的定义,推导得到三种姿态的转换计算式。然后研究了目标坐标系中卫星可见光散射特性。推导得到散射强度的计算流程以及面元遮挡判断方法。基于五参数模型研究了8种典型卫星包覆材料的BRDF特性,计算了材料可见光波段的平均BRDF,计算结果表明OSR材料有较强的镜反射,BRDF最大,散射角度对BRDF的影响较大。基于分部件建立卫星模型,模型包含7个部件,尺寸为835.89?7898.80?2323.85 mm,包含8832个三角面元、4594个点元。仿真计算了卫星张整星与部件的可见光散射强度,结果表明了卫星具有较强的镜反射特性,卫星电池板与主体是卫星整星散射强度的主要来源,当太阳光垂直电池板入射时,卫星达到最大的散射强度。最后研究了在轨卫星的可见光散射特性。推导得到散射强度的计算流程,分析了目标卫星、探测卫星以及太阳的可视判断方法,同时考虑电池板相对其他部件的运动。介绍了STK仿真卫星轨道与姿态的基本操作,通过STK仿真研究了大椭圆轨道卫星Molniya的轨道、姿态以及太阳位置。基于分部件建模与STK,研究了低地球轨道、高椭圆轨道以及地球同步轨道三类轨道下目标卫星的可见光散射强度,分析了轨道、姿态、卫星材料等因素对在轨卫星可见光散射强度的影响。本文研究过程中,为简化复杂度,卫星模型相对简单,并且不同轨道的目标卫星模型单一,同时结果的可视性较差。针对这些不足,可将卫星模型基于不同轨道特点进一步细化,并利用STK接口,将计算程序与STK结合,实现计算模块功能和计算结果的可视化。
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