基于电推进卫星飞往Halo轨道的转移轨道研究

利用电推进及轨道力学的特性实现节能优化,将限制性三体问题中的稳定不变流形与小推力轨道优化相结合,研究全电推进卫星从地球停泊轨道飞向日地拉格朗日L2点Halo轨道的低消耗转移轨道.航天器的转移轨道分为逃逸段、拼接段与无动力滑行段.在逃逸段卫星沿速度方向加速脱离地球引力,拼接段采用Radau伪谱法进行优化,使航天器以最短时间到达目标Halo轨道的稳定不变流形上,随后航天器电推进系统关机,沿稳定不变流形无动力滑行至目标轨道.基于雅克比积分常数给出拼接段轨道初始猜测值,以先提高切向方向航天器能量避免了全程优化离散点过多难以求解的问题.仿真结果表明,该方法收敛速度较快,对平动点工程任务的初期轨道特性计算具有实际意义.      

日地系L2点与日火系L1点转移轨道设计

将太阳-地球-火星-飞行器组成的四体问题分解成由太阳-地球-飞行器和太阳-火星-飞行器两个共面圆形限制性三体问题,设计日地系L2点与日火系L1点Lyapunov轨道之间的转移轨道,该转移轨道可以作为探测火星时的低能中间转移轨道.采用Richardson三阶近似解作为初始值,运用微分修正方法分别得到两个不同三体系统下拉格朗日点的精确Lyapunov轨道.基于Lyapunov轨道不变流形以及微分修正方法,设计了日地系L2点与日火系L1点间的转移轨道.将所得结果与基于Halo轨道不变流形设计的转移轨道进行了对比.结论表明:利用Lyapunov轨道不变形设计探火中间转移轨道相较于利用Halo轨道不变流形设计探火中间转移轨道在能量消耗以及飞行时间上都存在优势.     

基于同伦方法三体问题小推力推进转移轨道设计

提出一种基于同伦方法限制性三体问题小推力推进转移轨道设计方法。首先根据最优控制原理分析了航天器在轨道转移中不同性能指标时的最优控制律,然后引入同伦参数构造新的性能指标,在基于遗传算法和打靶法得到能量最优的解基础上,采用伪弧长法跟踪同伦轨迹,进而得到燃料最优的转移轨道。最后对地月系下从GEO轨道到L1点Lyapunov轨道的转移轨道进行优化。仿真结果表明:利用遗传算法能优化得到较为合适的流形拼接点和协态变量初始值,利用打靶法能有效地优化得到小推力燃料最优转移轨道。     

地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

位于地月L2点周期轨道的中继星将首次为"嫦娥4号"月球背面着陆探测任务提供通信中继服务。中继星转移轨道设计是中继任务实施的关键环节。针对中继星转移轨道存在转移时间、近月点高度和halo轨道振幅等约束条件,系统研究了基于月球近旁的地月L2点转移轨道设计方法。首先基于限制性三体模型,分析了halo轨道族与着陆点可见性关系;然后将月球近旁转移轨道分为地月直接转移段和地月动平衡点附近周期轨道拟流形入轨转移段,采用带有状态约束的微分修正算法对这两段轨道进行拼接,得到了从地球附近至目标轨道族的月球近旁转移轨道;最后,针对南族halo轨道分析了halo轨道振幅和月球飞越高度对转移轨道设计的影响,以及转移轨道的入轨相位分布。仿真结果表明:月球近旁转移轨道设计方案具备工程上的可行性与优越性。该方案可以为实际工程任务和应用提供参考。     

火卫一周期准卫星轨道及入轨分析

围绕火卫一的准卫星轨道（QSOs）因其具有良好的稳定性，是火卫一探测任务最为实用的轨道。在平面圆型限制性三体问题模型下，利用庞加莱截面和KAM环迭代方法探究了准卫星轨道的周期轨道族，并给出不同能量准卫星周期轨道的初始条件。针对火卫一周期准卫星轨道入轨，提出一种转移轨道设计方法:对准卫星周期轨道调整速度后进行反向积分，直至离开火卫一邻近区域，从而得到由火星环绕轨道向火卫一周期准卫星轨道的转移轨道，并调整转移轨道参数对燃料与时间消耗进行优化。研究结果表明，当周期准卫星轨道能量处于特定区间时，存在特定速度脉冲区间，可利用火卫一引力实现较少燃料消耗的轨道转移；在该速度脉冲区间中，通过选取较小的速度脉冲，可缩短转移时间。      

椭圆三体问题中的时间周期不变流形

借助有限时间Lyapunov指数（FTLE）定义拉格朗日拟序结构（LCS）,并以单摆系统为例阐述LCS与动力系统中不变流形之间的联系.利用LCS研究椭圆限制性三体问题（ER3BP）中的时间周期不变流形的性质.采用数值方法验证得到了两点结论：时间周期不变流形的内部是穿越轨道集,外部是非穿越轨道集;时间周期不变流形是轨道的不变集.     

基于三体系统平动点轨道的环日全景任务轨道设计

在空间开展太阳观测是研究太阳活动周、太阳爆发、极端天气等事件起源的重要手段。环日全景探测计划是为实现从黄道面360°全方位观察太阳行星际空间而提出的。本文针对环日全景探测计划,构建了基于三体系统平动点低能量轨道的环日全景轨道部署方法。该方法以日–地L1/L2点Halo轨道幅值及Halo轨道离轨点为变量,以转移轨道飞行时间、入轨机动大小为评价指标,基于三体系统不变流形构建环日全景的转移轨道,并开展轨道优化设计。采用等高线图对设计变量及任务成本进行全局分析。仿真计算表明,轨道部署无法同时满足飞行时间最短与入轨机动最小的要求。设计了轨道机动约束条件下的最优飞行时间解,并给出了基于长三甲运载火箭的一箭双星发射及入轨方案。      

微纳卫星L1点Halo轨道转移轨道设计

针对地月空间探测任务的高风险、高成本,提出了利用微纳卫星完成地月空间环境监测、未知空间探索及地月空间动力学验证的方案,从而为未来建立地月空间运输系统建立良好基础。借助地月空间三体动力学和小推力轨道设计中的直接法,设计了针对微纳卫星的低能耗地月转移方案。结果表明:微纳卫星借助火箭上面级,从GEO轨道出发飞向L1点Halo轨道,所需速度增量为1.033 km/s,转移时间为40.02 d;不借助火箭上面级,所需速度增量为1.397 5 km/s,转移时间为48.7 d。     

日地平动点编队飞行自抗扰轨道维持控制

对日地平动点附近的航天器编队控制问题进行研究,为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,提出基于圆型限制性三体问题的日-地/月系统L_2点附近主从式航天器编队飞行的相对位置控制问题的解决方法.将主航天器设定在Halo轨道上,从航天器利用自抗扰控制方法控制在主航天器周围,编队系统内的未知动力学和外部扰动由扩张状态观测器获得,并利用非线性误差反馈对其进行补偿.数值仿真结果显示采用0.1μN到10 m N的控制力即可使航天器相对位置误差控制在位置精度要求范围内,同时在存在未知干扰的情况下该方法依然具有很好的鲁棒性,从而验证优越性.     

基于不变流形的地-月L2点转移轨道优化设计

在地–月L2点月球中继卫星轨道转移设计中,采用高比冲、小推力的电推进器可以大大增加卫星的有效载荷比,但会增加轨道设计的难度。基于地球GEO轨道为初始轨道,地–月L2点的halo轨道为目标轨道,通过最优控制中的混合法及平动点轨道的不变流形,研究了作为拓展任务的利用地月系统不变流形的小推力变轨方案,可以有效简化转移的轨道设计。仿真结果表明:得到了任意推力情况下最节省推进剂燃料的推力方向控制方案,对月球中继卫星的轨道设计及其平动点轨道设计具有工程意义。     

一种基于太阳震荡时间延迟量测的自主天文导航方法

太阳震荡可以在短时间内引起太阳光强度和光谱线心波长的剧烈变化,通过探测太阳光强度和光谱线心波长并记录时间,可以获得直接接收的太阳光到达时间和经天体反射的太阳光到达时间之间的时间延迟,可以利用时间延迟作为量测量提供航天器的位置信息。提出了一种基于太阳震荡时间延迟量测的自主天文导航方法;建立了基于时间延迟的隐式量测模型,并应用了IUKF方法。仿真结果表明：本文所提出的导航方法,应用在转移轨道上的位置误差和速度误差分别约为3.55 km和0.077 m/s,环绕轨道分别为1.76 km和1.57 m/s。同时也研究了3种因素对导航性能的影响。     

地月空间的远距离逆行轨道族及其分岔研究

地月系统中存在着一类绕月逆行、高度稳定的轨道族,称为远距离逆行轨道族(DRO)。以圆型限制性三体问题(CR3BP)为动力学模型研究了DRO轨道族周边的动力系统结构。利用Broucke稳定性图寻找分叉点,判断分叉类型,基于数值延拓计算分岔后产生的一系列新轨道分支。分叉类型主要有切分叉与多倍周期分叉(从3倍周期开始),轨道维度包含平面轨道族与三维轨道族。计算新轨道族的特征,包括形状、周期、能量、稳定性、双曲流形结构等。探讨周期轨道的轨道周期与能量的关系,以几何化的方式展现分叉结构、多周期轨道的双曲流形结构等。该动力结构将为基于DRO轨道族的地月空间任务提供重要的理论支持。      

从日地系统L2出发借力月球飞越近地小行星

对于停留在日地系统L2的“嫦娥2号”探测器,其后续飞行方案有多个选项,例如主动撞月或重返月球轨道、返回地球轨道或再入大气、飞往地月系统L1/L2或日地系统L1、进入深空飞越近地小行星(最终,“嫦娥2号”于2012年12月13日成功地实现了对Toutatis小行星的近距离飞越)。探讨上述的飞行方案需要对飞行轨道进行初步设计,总的速度脉冲限制在100 m/s以内并且需要考虑探测器同时受到太阳、地球、月球的引力作用。本研究设计了探测器从日地系统L2出发借力月球实现Toutatis小行星飞越的飞行方案,与直接飞越方案相比,借力月球可以进一步节省探测器的燃料消耗,其等效速度脉冲设计值为58.47 m/s。     

平动点任务转移轨道中途修正研究

平动点在深空探测中具有重要作用. 由于发射中不可避免地会存在误差, 平动点卫星往往需要考虑转移轨道的中途修正. 本文从工程实用角度出发, 根据以往平动点任务的中途修正经验, 确定中途修正序列,综合以往文献对误差的处理, 给出了误差的分布参数; 将转移轨道中途修正问题转化为转移轨道设计问题, 使用微分修正算法求解转移轨道中途修正问题; 利用蒙特卡洛模拟给出统计性数据. 仿真结果验证了方法的有效性. 对于日地系 110天类型的转移轨道, 在95 %的置信水平下, 只需要78.0 m/s的机动速度, 即可以保证位置误差在66.1 km之内.      

嫦娥一号卫星地月转移轨道中途修正分析

 中国第一颗月球探测卫星“嫦娥一号”于2007年10月24日成功发射并于11月7日顺利进入了距月面200km的科学探测的使命轨道,原计划在整个飞行过程中比较关键的轨道段是地月转移轨道段。要进行2至3次中途轨道修正,而实际的飞行结果只在第41h作了一次很小的修正,所用的速度增量是4.8m/s。基于有关的实测数据对此进行详细的分析,以期获得一些规律性的认识。     

航天器交会中的Lambert问题

应用Lagrange转移时间方程研究空间交会中的Lambert问题,包括经典Lambert问题(飞行弧段不足一圈的椭圆型轨道转移)与多圈Lambert问题(飞行圈数超过一圈的轨道转移),阐述转移轨道的几何特性与转移轨道类型,分析转移时间与转移轨道参数及变轨速度增量之间的关系。对航天器交会中常用的圆轨道之间的双冲量转移,给定转移角与转移时间,阐述最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法,提出满足最小变轨速度增量要求的轨道转移的图解法。对给定的初始分离角与交会时间,按最小变轨速度增量要求,确定航天器交会的初始漂移时间、双冲量轨道转移时间与终端停泊时间。     

飞向晕轨道的探测器轨道优化

晕轨道的稳定流形为从地球到晕轨道的转移轨道设计提供了便利．以往都采用在晕轨道上的目标点施加脉冲,这样,稳定流形只是为转移轨道的设计提供一个初始猜想,探测器并没有运行在稳定流形上,因而并未真正利用稳定流形节省燃料的优势．利用基于序优化理论的微分修正法,研究从晕轨道近地点稳定流形上不同点进入稳定流形所需要的燃料消耗,寻找燃耗最少的转移轨道．仿真表明,对于晕轨道近地点入轨,找到的稳定流形射入点机动比以往的晕轨道入轨点机动节省约33％的燃料消耗．此外,还对晕轨道上不同入轨点的入轨代价进行了研究,得到了晕轨道近地点入轨的最小燃耗解．     

Halo轨道族延拓方法及特性研究

对Halo轨道周期和运动范围等特性的研究是平动点任务设计的首要前提。针对大幅值Halo轨道和完整Halo轨道族的应用需求及其数值计算问题,面向当前应用广泛的地月系和日-地月系共线平动点,基于延拓法研究了圆型限制性三体问题下的Halo轨道族数值计算和运动学特性,给出了Halo轨道族延拓计算方法。数值仿真了族参数选择对轨道族计算的影响,得到了地月系和日-地月系共线平动点的大范围南北Halo轨道族,同时给出了轨道族的轨道周期变化和空间位置变化特性。研究结果表明,固定延拓步长下,L1点Halo轨道族应选择会合坐标系x坐标作为族参数,L2点Halo轨道族应选择y方向速度或者周期T作为族参数。方法适用于任意三体系统平动点的周期轨道族计算,特别是对其中的状态转移矩阵简单修改后可用于完整力模型下的Halo轨道（族）的数值设计。     

地月平动点中继应用轨道维持

地月平动点中继应用轨道对于月球背面探测具有十分重要的应用价值,由于地月平动点的不稳定性,必须进行轨道维持。文章研究了真实力模型下月球平动点中继应用轨道的维持。首先,基于限制性三体问题下平动点轨道的运动特性,研究了平动点轨道维持的数学模型与维持策略,提出了平动点轨道维持的连续环绕控制方法,并给出了轨道维持的Halo和Lissajous两种控制方式;其次,充分考虑各天体和光压摄动下,采用数值手段研究了不同幅值的地月平动点周期中继应用轨道的维持间隔与速度增量等。研究结果表明:Lissajous控制方式适用于月球平动点中继应用轨道的维持,在给定测控精度条件下,维持间隔约7.4d,速度增量优于20m/s/a。该方法已经成功应用于我国"嫦娥2号"日地平动点任务和"嫦娥5T1"地月平动点任务并获得了良好的控制效果,还可直接应用于我国未来"嫦娥4号"等月球背面探测任务。     

航天器交会快速接近机动策略

对航天器交会接近段V-bar上保持点间的转移,单向(轨道径向或周向)推力机动的最短转移时间为半个轨道周期(对应双径向推力冲量)。若要求转移时间小于半个轨道周期,须采用双向(径向与周向联合)推力。为此,提出5种机动方案:1)起点双向冲量与终点双向冲量机动;2)途中双向连续推力机动;3)起点双向冲量与途中双向连续推力机动;4)途中双向连续推力与终点双向冲量机动;5)起点切向冲量与途中径向连续推力及终点切向冲量机动(即直线路径转移)。其中,方案1)(冲量机动)的速度增量最小,但轨迹视界角最大;方案5)(直线路径)的视界角最小(近似为零),但当转移时间T>0.292P(P为轨道周期)时,所需的速度增量较大。机动方案的选择应全面考虑转移轨迹安全性、速度增量需求、转移轨迹视界角,以及机动复杂程度等多方面因素。若视界角可满足总体设计要求,宜选择方案1);当T<0.292P时,也可考虑方案5)。