空间物体光照特性分析与应用

本文分析太阳、地球和空间物体轨道运动的基本耦合关系，构建空间物体光照问题的一般数学模型；对空间物体光照的影响参数进行分析，探讨不同参数的变化范围、周期及对目标光照的影响程度，针对常见的圆轨道讨论长半轴对受晒因子的影响，建立圆轨道的全轨道受晒方程；进一步探讨空间物体光照特性在空间目标光学探测与跟踪、太阳敏感器、太阳光压作用、空间太阳能发电等空间活动中的应用，分析给出主要应用的发展方向、关键技术或技术性能，为相关研究提供理论参考。

空间物体包括工作正常的卫星和失效卫星，同时也包括各种空间碎片。以太阳光辐射为主的光照环境是空间物体经历的主要外部环境之一，对空间物体的探测控制、工作性能和效率、寿命等具有重要影响。

根据各自任务需要， 研究者对空间光照环境和条件进行了大量研究[1] [2]， 得出了一些有意义的结论。

空间物体光照特性不仅考虑地球周围的空间光照情况，还要考虑空间物体轨道运动带来的影响，在更精细的应用中甚至还要考虑目标的形状、姿态、材质、平整度和反射率等复杂因素的影响。本文从空间物体光照问题的理论分析出发，构建该问题的数学模型，对空间物体光照的影响参数进行详细分析，并进一步探讨空间物体光照特性在空间活动中的主要应用。

2. 空间物体光照问题的数学建模 2.1. 地影与受晒因子 由于地球的遮挡， 使太阳不能直射的阴影区称为地影。

由于太阳的大小以及太阳与地球之间的距离， 使得地影包括本影区和半影区两部分。本影区是阳光全部被地球遮蔽的区域，半影区是阳光部分被地球遮掩的区域，如图1 所示。rES 为日地距，rS 为太阳半径，rE 为地球半径，δu(≈15.8′)和δρ(≈16.2′)分别为本影角和半影角。本影区为圆锥体，其半顶角为δu，高度约为217rE。由于δu 和δρ 为小角，对于近地空间物体可将地影近似看作为半径等于rE 的圆柱体本影，阳光近似看作平行光，地影无本影与半影之分[3]。

当空间物体受阳光照射时，称为受晒；反之，当空间物体处于地影内时，称为星蚀。设空间物体轨道周期为T0，其在轨道上运行一圈的受晒时间为Ts，定义受晒因子Ks 为 地球太阳半影区本影区半影区rSrErES217rEδuδ? Figure 1. The earth’s umbra and penumbra area 图1. 地球的本影区和半影区