一种高保真绕月探测器非保守力计算方法及系统

本发明属于深空探测器轨道动力学建模或精密定轨，具体涉及一种高保真绕月探测器非保守力计算方法及系统。

背景技术：

1、传统非保守力模型中，最简单的是等效球模型或等效截面积模型。该类方法将探测器折算为具有固定受光面积和反射特性的简化体，并依据太阳辐照度、探测器质量估算太阳光压加速度。初步轨道设计中，通常以等效面积和反射系数描述整体受光特性，将太阳光压简化为与等效面积/探测器质量成正比的扰动项。但无法反映探测器姿态变化、太阳翼展开状态、天线遮挡、舱体凸起结构以及各部件不同表面材料对光压的影响。对于具有大型太阳翼、高增益天线和复杂外伸部件的绕月探测器，单一等效面积只能提供平均近似，难以支撑精密定轨需求。

2、工程上常用板模型对太阳光压进行建模。板模型将探测器简化为若干规则平板，例如舱体六个面、太阳翼面板、高增益天线面板和支架面板等。每个平板具有面积、法向、镜面反射系数和漫反射系数，根据太阳入射方向与面板法向的夹角判断该面板是否受光，再计算各板面的太阳光压贡献。该方法较等效面积模型更细致，但其照明判定通常仍依赖面片法向与入射方向的点积，不能判断该面是否被其他结构遮挡。在自遮挡构型下，传统板模型可能把实际上处于阴影中的太阳翼或舱体面计入受光面积，从而高估太阳光压加速度。对于绕月探测器，当太阳从侧后方照射时，太阳翼可能遮挡舱体局部区域，高增益天线和支架也可能形成阴影；相反，部分凹陷或背向区域又可能通过反射获得少量辐照。传统板模型难以同时描述上述情况。

3、除了太阳光压，月球遮挡的处理也存在类似简化。传统做法通常采用圆锥本影或半影模型，按太阳、月球和探测器的几何关系判断探测器处于光照区、本影区或半影区，并用简化函数修正太阳光压。这类模型可以快速估计食影进入和离开时刻，但在半影区内，太阳视圆盘是逐渐被月球遮挡的；若只采用简单几何边界，难以描述太阳圆盘部分遮挡导致的连续通量变化，也难以考虑太阳临边昏暗带来的像素权重差异。

4、月面反照辐射和热红外辐射的传统处理通常将月球近似为均匀球体、少量环带或低分辨率面元集合，并按探测器高度、月相等参数估算平均辐射压力。这类近似忽略了月面局部反照率、发射率和温度差异，也难以精确处理终止线附近的强烈空间变化。实际情形中，月面反照辐射来自同时被太阳照亮并对探测器可见的区域；热红外辐射则来自对探测器可见的月面区域，即使夜面也因非零温度而存在热辐射。

5、上述问题共同说明，传统模型虽然计算效率高，但主要存在以下不足：

6、（1）几何表达过于简化，难以描述探测器复杂构型；

7、（2）遮挡关系处理不足，无法准确识别真实受光面和自遮挡区域；

8、（3）对月面辐射环境简化较多，未充分利用月面反照率、温度和形状网格等高分辨率信息。

9、对于高精度绕月任务，这些误差可能表现为太阳光压加速度偏差、食影边界通量不连续、月面反照和热红外辐射估计不准，并进一步影响轨道残差、重力场参数估计和经验加速度解算。

技术实现思路

1、传统模型不可避免地存在几何表达过于简化、遮挡关系处理不足、对月面辐射环境简化较多造成的误差，表现为太阳光压加速度偏差、食影边界通量不连续、月面反照和热红外辐射估计不准，并进一步影响轨道残差、重力场参数估计和经验加速度解算，为克服现有的问题，本发明提供一种高保真绕月探测器非保守力计算方法及系统，以探测器三维几何模型和月球三角网格模型为基础，将探测器舱体、太阳翼、天线等复杂结构离散为带有表面光学属性的三角面片，同时将月球表面离散为具有反照率、发射率和温度参数的面元，从而能够描述真实几何遮挡、局部受照状态和月面辐射贡献。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种高保真绕月探测器非保守力计算方法，其特征在于，包括：

3、构建离散化探测器模型和离散化月球网格模型；

4、基于目标历元下探测器、月球与太阳的相对位置以及探测器本体系与计算参考系之间的转换矩阵，执行步骤包括：

5、构建光线像平面模型；所述光线像平面模型包括光线像平面及其平面属性和射线属性；

6、利用射线追踪技术确定光线像平面模型与离散化探测器模型的真实受光面，计算得到各像素射线的广义几何向量，后计算得到太阳光压加速度；

7、将太阳视圆盘离散化，通过射线追踪技术构建被月球遮挡像素集合以计算太阳可见比例，并根据太阳可见比例修正太阳光压加速度；

8、对离散化月球网格模型进行几何筛选，确定反照辐射面元集合和热红外辐射面元集合，并结合广义几何向量分别计算月面反照辐射加速度和月面热红外辐射加速度；

9、将修正后的太阳光压加速度、月面反照辐射加速度和月面热红外辐射加速度合成目标历元的总非保守加速度。

10、作为进一步的技术方案，离散化探测器模型为附加属性的三角面片集合，构建过程包括：

11、根据探测器的所有组成部件建立探测器的三维几何模型，将该三维几何模型离散为三角面片集合，并为每个三角面片附加面积、法向、位置以及表面光学属性，得到离散化的探测器模型。

12、作为进一步的技术方案，光线像平面模型的构建过程包括：

13、根据目标历元下探测器与太阳的相对位置关系，确定太阳在探测器本体系中的方向，建立位于探测器太阳侧、且与太阳光入射传播方向垂直的矩形光线像平面，并确定所述光线像平面的平面属性包括：宽度、高度以及像素间距；所述光线像平面中每个像素对应一条像素射线，且各像素射线的传播方向一致，均由光线像平面指向探测器；

14、根据所述光线像平面的宽度、高度以及像素间距，确定所述光线像平面中的射线总数及单条像素射线代表的面积，以像素射线的起点、传播方向、射线总数以及单条像素射线代表的面积作为光线像平面的射线属性。

15、作为进一步的技术方案，利用射线追踪技术确定光线像平面模型与离散化探测器模型的真实受光面的步骤包括：

16、将光线像平面模型中的各像素射线作为入射射线，利用射线追踪内核分别求解各入射射线与所述离散化探测器模型交点，当入射射线存在交点时，确认该入射射线命中离散化探测器模型，并以其沿传播方向首先命中的三角面片作为该入射射线对应的真实受光面；

17、针对已命中真实受光面的各入射射线，基于反射定律计算其对应的镜面反射射线，并以镜面反射射线作为下一阶次入射射线继续输入射线追踪内核进行求交循环执行直至下一阶次入射射线未命中所述离散化探测器模型，或者像素射线的反射次数达到预设的最大反射次数阈值。

18、作为进一步的技术方案，计算得到各像素射线的广义几何向量，步骤包括：

19、利用射线追踪技术确定光线像平面模型与离散化探测器模型的真实受光面过程中，当像素射线命中时，基于该次命中对应的入射方向向量、镜面反射射线的方向向量，以及沿命中面片法向的漫反射动量分量，计算得到初始阶次广义几何向量；

20、当像素射线发生多次反射时，采用递推算法从初始阶次广义几何向量计算当前阶次的广义几何向量。

21、作为进一步的技术方案，太阳光压加速度基于各像素射线的广义几何向量，通过光压加速度模型解算得到，所述光压加速度模型的数学表示为：

22、

23、其中，表示未考虑月球遮挡时的太阳光压加速度；表示探测器处太阳辐照度；表示探测器质量；表示真空光速；表示考虑至第阶反射后得到的总广义几何向量；为太阳方向在探测器本体系中的赤经和赤纬。

24、作为进一步的技术方案，将太阳视圆盘离散化，通过射线追踪技术构建被月球遮挡像素集合以计算太阳可见比例，并根据太阳可见比例修正太阳光压加速度，步骤包括：

25、将探测器观测到的太阳视圆盘离散化为有限个像素点，构建太阳圆盘总像素集合；基于预设的太阳临边昏暗计算函数，为所述太阳圆盘总像素集合中的各像素点计算并赋予临边昏暗权重；

26、以探测器位置为射线起点，分别沿探测器指向各太阳圆盘像素点的方向生成遮挡判定射线，利用射线追踪内核求解所述遮挡判定射线与离散化月球网格模型之间的交点，判定各像素射线的月球遮挡状态，筛选出被月球遮挡的像素点以构建被月球遮挡像素集合；

27、基于所述太阳圆盘总像素集合、所述被遮挡像素集合以及各像素点对应的所述临边昏暗权重，计算太阳可见比例；利用所述太阳可见比例对太阳光压加速度进行修正，解算得到考虑月球遮挡后的太阳光压加速度，也即修正后的太阳光压加速度。

28、作为进一步的技术方案，计算月面反照辐射加速度和月面热红外辐射加速度的步骤包括：

29、在以月心为中心、轴指向太阳的月心太阳固定坐标系中，几何筛选出离散化月球网格模型的日照月面面元集合和探测器可见月面面元集合，取日照月面面元集合与探测器可见月面面元集合的交集得到反照面元集合，以探测器可见月面面元集合作为热红外辐射面元集合；

30、计算所述反照辐射面元集合中各反照面元对探测器产生的反照辐照度贡献，并计算所述热红外辐射面元集合中各热红外辐射面元对探测器产生的热红外辐照度贡献；

31、用广义几何向量表示探测器对来自月面面元方向的辐射响应，利用反照面元集合中各个反照面元的反照辐照度计算月面反照辐射加速度，利用热红外辐射面元集合中各个热红外辐射面元的热红外辐照度计算月面热红外辐射加速度。

32、根据本说明书的另一方面，提供一种高保真绕月探测器非保守力计算系统，用于实现一种高保真绕月探测器非保守力计算方法，包括：

33、数学建模模块，用于构建离散化探测器模型和离散化月球网格模型；

34、数据输入模块，用于获取目标历元下探测器、月球与太阳的相对位置以及探测器本体系与计算参考系之间的转换矩阵；

35、光线像平面建模模块，用于构建光线像平面模型；所述光线像平面模型包括光线像平面及其平面属性和射线属性；

36、太阳光压加速度解算模块，用于利用射线追踪技术确定光线像平面模型与离散化探测器模型的真实受光面，计算得到各像素射线的广义几何向量，后计算得到太阳光压加速度；

37、太阳光压加速度修正模块，用于将太阳视圆盘离散化，通过射线追踪技术构建被月球遮挡像素集合以计算太阳可见比例，并根据太阳可见比例修正太阳光压加速度；

38、辐射加速度解算模块，用于对离散化月球网格模型进行几何筛选，确定反照辐射面元集合和热红外辐射面元集合，并结合广义几何向量分别计算月面反照辐射加速度和月面热红外辐射加速度；

39、输出模块，用于将修正后的太阳光压加速度、月面反照辐射加速度和月面热红外辐射加速度进行矢量合成，得到绕月探测器的总非保守加速度。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

41、通过构建离散化探测器三维模型和月球网格模型，并结合光线像平面与射线追踪技术，能够直接识别探测器真实受光面、自遮挡区域及多次反射路径，避免传统等效面积模型和板模型对受光状态的简化误差；通过离散太阳视圆盘并追踪月球遮挡像素，可获得连续变化的太阳可见比例，实现本影和半影条件下太阳光压加速度的平滑修正；通过几何筛选月面反照辐射面元和热红外辐射面元，并结合广义几何向量计算探测器对不同入射方向辐射的响应，能够更准确地反映月面局部几何、反照率、发射率和温度差异对非保守力的影响，从而提高绕月探测器在复杂构型、自遮挡、食影过渡和月面非均匀辐射条件下非保守力建模的精度和物理一致性。