則控站,称之为地基测控系统,为了适应航天事业的发展,近年来出现了利用地球同步 钪道卫星转发进行測量的天基测控网一—中继卫星系统和全球定位系统iPS)、其中尤 关国和前苏联在天基测控技术方面处于领先地位 1.1空间环境及常用天文术语 本节介绍航天飞行器的空间飞行环境,然后对航天测控领域中常用的天文名诃予以 简要解释 11航天器的空间飞行环境 一般将距地面高度30-50km以下的空间范围称为低空大气层,30-50km以上全行 星际的空间范围为近地空间,太阳系以外恒星际的范围为宇宙空间。我们所斫究的测控 技术的对象,如人造地球卫星、远程弹道导弹、航天飞机大多在近地空间飞行,因此斫 究航天器的空间飞行环境将主要是考察近地空间的物理特性。低空大气层的特性一般为 气象学研究的对象,但因为航天器无论在发射还是返回时都要穿越低空大气层,低空大 气层对航天器的飞行也会产生很大影响,所以对低空大气层的物理行性也要予以分析。 大气层结构 根据大气的温度、密度及运动特性,可将大气层从海平而算起,依次向!分为5层2 1.对流层 这是接近海平面的一层大气、其厚度随着纬度与季节等因素而变化、在南北级约为 7-8km。在这一层能量传递的形式是对流和辐射,故称为对流层。对流层的质量大约 占总大气质量的3/4,此层中风速和风向是经常变化的,空气的压强、密度、温度和湿 度也经常变化,且随高度的增加而变化减少。风、雨、雷、电等气象现象均发生在这 2.平流层 由对流层顶端到海平面以:50km处之间为平流,其质量约占大气总质的14 当高度在20km以内,气温不随高度变化,保持在21665K;在20~32km之间,气温则 随高度上:升,没有水蒸气,没有雷雨等气象,也无大气的上下对流,只水平方向的流 动,故称平流层 3.中间层 从平流层顶端到海平面以上80km之间为中间层。其质量仅占大气总质量的1/300 这一层中气温随高度上升,在海平而以上53km处达282.66K;再向上气温又下降、在 80km处降为19686K 4.热层 H海平面80400km为热层,这一层中气温急剧上升,150km处温度可达100K;
400km处温度可达1500~1600K,故称为热层。 5.外层 距海平面400km到15001600km之间为外层,其质最仅占大总听种的1g01 人气的边界距海平面约20003000km 图1.1为大气结构示意图。 、电离层 200-300 从海平面60km到大气层外缘,由∮150-1600 太阳紫外线、粒流、字宙射线等作用 部分大气分子被离。由高室大气密度 小、电离产小的离子与电子重祈复合的机 会少,故电子的浓度很大,甚至在夜晚当 中间层 光电离终止时大气层中仍保持相当大的 电子浓度,这样的大气层被称为电离层。 缩对流层 电离层空间某处的电离度,常用单位体积 内所含电子数日,即电子浓度Nn/m) 表示。电离层中电子浓度的变化情况,如 图1.大气层法细钩 装1.所小。电离层对无线电电波传播的影响很大 表11电离层高度和电子浓度 尚m最风比子浓度心cm 化情况 70)~90 0310 夜间消失 0-120 子浓度白天大、仪叫小 l60~180 多半在夏天白大你 300-450 发不)电子浓白天人 250-350 冬季夜间小冬季大旦个小 粒子辐射 1.地球辐射带 在地球空间的广大范内,在着强度很大的带电粒子,这些带七粒了被地球 磁场所俘获,形成「不同强度和通量的粒子辐射区城,称为地球辋射带。根据俘粒子 分布的空间位置不同可分为內射带和外辐射带。其空间结构如图1.2所示。图中斜线 区是辐射能景集中区城 ①内辐射带内辐射带在赤道上方约600~1000km处.分布在南北纬度约40°万右的低 纬度Ⅸ城内,要由质子和电子组成。质子能量约为4~40Mev(兆电了伏特)、电」能量 约为500keV(千电子伏特)。按粒子来源可分为天然辐射和人工辐射、人「辐射带主要是 地球场俘获的高空核爆炸所生的带电粒∫所形成,主要成分是电子。有內辐射带仃 定的贯穿轺射强度、对人体可构成伤害,因此內辐射带门前仍被划为人有空间長时间
伶的禁区。 外轴射带在赤道上空1000-60000km处,中心位置约为20000-2500km 内射带外辐射带 你沙 球半径 图12地球斩射带示意图 纬度在南北55°~70°左右。外辐射带受太阳活动影响很大,其电子能量从儿十千电 ∫伏特到几百千电子伏特。 2.太阳宇宙线—质子事件 太阳大耀斑发生时,伴随着辐射大量高能粒子,形成太阳宇宙线。因其绝大部分是 质子,故又称质子事件。质子事件主要集中在高纬度地带,能量大于30MeV.质子事 件在每年三、四月份和八、九月份出现较多,春分、秋分附近较为集中,一月、月 较少或没有。 四、粒子辐射对空间飞行的影响 航天飞行器在宇宙空阃飞行时,必然会受到粒子辐射,从而对宁航员和航天器的安 全构成威胁。人体或枋料在受到粒子辐照时,若剂量超过某一允许值,将对人体或材料 造成损伤,如人体感到不适、患病甚至死亡,照桕狡卷朦胧、太阳能电池输岀降低,半 导体器伈失效等。这一允许值称为辐射损伤阀值。表1,2给出了人及一些材料的辐射损 伤阀值。 表12人及一些材料的辐射损伤阀值 匚人材料物伤人材料投伤 人 约102 磁性材料 103-10 胶卷 陶瓷、玻璃 10°-108 太阳电池 102-10° 聚合材料 10-10ˇ 半导体元件 金属合金 电于管 有机绝缘材料 电驵.电容 0°-103 无机绝缘材料 0-102 滑剂 rad(拉德):吸收剂量单位、ltad指!克介质吸收H00尔格能量的吸收剂量。即lrud=100尔格克 表1.3给出了儿种主要的宇宙空间粒子辐射比较。根据这些资料,可得空间环境对 航天器影响的几点结论
(1)银河系宇宙线的剂量贡献只有5~|5rad/A,相比之下可忽略。 (2)对于100km到儿个地球半径之间的任何轨道倾角的卫星的长期飞行,辐射带 柱子的剂量献具有决定性影响、必须考虑防护措施和限制飞行时间,以确保飞行安全 (3)在倾角小于50°,高度儿千公里以下,与辐射带相比,可忽略太阳质子事件的 威胁;对于大倾角轨道,特别是地磁场范围以外的空间飞行,太阳质子事件有极严听的 威胁,尤其在极区附近地磁效应很小,太阳质子能达到很低的高度,以至能到达儿F公 里的大气层,这对大倾角近地载人飞行构成极大威胁 表1.3几种主要空间粒子稿射环境比较 环「银可子雷 太阳质了事 地球辐射带 类别 太阳活|太附活 大事件小事件 质子 韧放轿射 动高年动低年 主要空闯 近似整个空间 磁纬>50° 赤道而几千公里以外赤道有100)-60000m之间 最大劑景 约 约10 儿 rad/h L个 平均剂量率同上 同上 ad事件rad/事件 rad/d 年剂量率 约5 约15 儿千 约10 太阳活动高年 0-10°adAu- rada 变化情况 怕定 约103-10rad/A 上述变化范闱山二 太阳活动低年 轨道位實决定,辐射 带之外,剂量贞献为零 注:本表的剂虽值均是在儿克厘米2的低防护下给出的 1.12常用天体名词解释 、赤道、经度、纬度 赤道地球的球心叫地心,地球自转的轴线叫 地轴,地轴通过地心同地面相交]两点:北极、南 极。通过地心,垂直地轴的平面叫“赤道面” 赤道面与地球表面相割形成的圆,叫“赤道”。如 13所示 经度、纬度经庋和纬度是为满足地理定位的 需要而人为定义的。先解释什么是纬线和经线,地 赤道 球上的经线和纬线都是地面的圆,二者之间的区别 在」它们所在平面同地轴的关系:经线平面通过地 南极 轴,而纬线平面垂直于地轴。一切经线都是地面上 的大圆,而纬线中只有赤道是唯一的大园。一切通图13地心、地轴、地极布
12常用坐标系及空间定轨方法 本节介绍在航天测控领域中常用的几种坐标系以及空间定轨方法 121常用坐标系 航天飞行器轨道的确定,是依靠各测控站对飞行器跟踪测量,并根据测量数据通过 计算而得。观测设备根据不同的要求而采用不同的坐标系。也就是说,所确定的飞行器 钪道都是针对某一坐标系而言,当然,各坐标系的参数是可以相互转换的。航大测控领 域中使用的坐标系有许多种,这里只选择其中较常用较典型的予以介绍 地心赤道坐标系 地心赤道坐标系又称惯性坐标系,当研究在地球引力范围内飞行的航大器运动时 常采用此坐标系。该坐标系的原点是地心,基准平面是赤道平面,X轴指向春分点、Z 轴指向并穿过北极N,而Y轴的指向符合右旋法则。如图1.12所示。 首子午线 近地点 赤道平面 赤道平面 春分点 轨道 远地点 图].12地心赤道坐标系 图13地心轨道坐标系 地心轨道坐标系 在描述航天器的轨道运动时,若采用地心轨道坐标系,则航天器轨道运动的表达式 叮以简化,因为在这个坐标系内,航大器的轨道运动是在平面上进行描述。地心轨道坐 标系如图1.13所示,坐标原点O为地心,基准平面是轨道平面,Y1轴的方向指向轨道 近地点,X轴位F轨道平面上,其指向与航天器在近地点上的运动力向一致,血z1轴 的指向应使坐标系构成右旋坐标系。 、大地测量坐标系 又称空间直角坐标系、地心地理坐标系。其坐标原点为地心,基准平面为小道平面 H2轴为首子午线平面与赤道平面的相交线,Z2轴为穿过北极点的轴线,而Y轴指向