圆型限制性三体问题相对运动解析研究

针对圆型限制性三体问题共线平动点附近周期/拟周期轨道下的相对运动问题，提出一种新的、通用的解析研究方法。在周期/拟周期轨道近似解析解的基础上，结合微分修正方法，获得了精确的周期/拟周期轨道。对周期/拟周期轨道的单值矩阵进行分析，同时借鉴Floquet理论核心思想，建立了六个相对运动模态，并将相对运动表示为六个相对运动模态的线性组合，获得了相对运动的近似解析解。最后在地-月系统圆型限制性三体问题下，以L1点作为研究对象，分别以Halo轨道、Lissajous轨道和Lyapunov轨道为参考轨道，对相对运动模态和相对运动进行仿真分析，说明了相对运动模态的正确性以及相对运动近似解析解的有效性。     

线性时变系统的状态转移矩阵——线性变参数常微分方程组的通解表达式

迄今为止,变参数常微分方程组未得到解析形式的解;所以在自控系统的研究中,系统状态方程的解及转移矩阵的求得,一般均需用数值计算法。用数值法解常微分方程计算量很大,工作繁复,从而限制了各种理论结果的大量应用。本文用共轭法给出了一种线性时变系统状态转移矩阵的幂级数表达式。实践证明,此组表达式能给自控系统的研制带来很大方便,是一种有力的研究手段。     

三角平动点附近高阶解在轨道位置保持中的应用

首先给出三角平动点附近的高阶解析解,并计算了三种特殊的运动类型。以日–地+月系三角平动点附近无长周期运动分量的拟周期轨道作为目标轨道,探讨轨道保持问题。针对三角平动点任务的轨道保持问题,我们研究了两种轨道保持策略,分别为多点打靶轨道保持与重构目标轨道的策略。计算中,将轨道控制问题转化为非线性规划问题,并以优化方法求解。仿真表明优化方法在轨道保持问题求解方面非常有效。     

拉格朗日平动点之间的转移轨道设计

针对三体问题中平动点转移轨道设计问题,首先以Richardson三阶近似解为初值,采用微分修正法,计算出简单周期轨道;利用单值矩阵法,计算出简单周期轨道附近的不变流形.然后根据Broucke的简单周期轨道分类思想,利用地-月平动点之间月球附近的周期轨道作为中转,设计LL2附近的Lyapunov轨道,LL1附近的Lyap...     

Halo轨道Richardson三阶近似解析解的改进

Halo轨道可以用来进行观测太阳活动,观测月背面,地月中继通信等航天任务.Richardson的三阶近似解析解是共线平动点的Halo轨道确定的基础.Richardson解析解是基于一种Lindstedt-Poincaré法的消去长期项的方法,在保留三阶小量方程中,假设角频率和位移展开到数量级第三级,并通过依次提取数量级相同的变量构成的方程进行推导的.在Richardson的解析解中,数量级第1级和第2级方程以及第3级在z轴方向的方程都消去了长期项,然而数量级第3级在x和y方向上并没有消去长期项.提出了Richardson三阶近似解析解的一种改进解析解,其数量级第3级在x和y轴上的分量比Richardson解析解更精确.并通过Matlab的数值计算验证了改进解析解的优势.     

采用SDRE方法的无径向推力最优轨道控制

针对无径向推力作用的两航天器轨道交会和编队卫星队形重构任务,采用状态依赖Riccati方程(SDRE)方法求解了其最优轨道控制问题。首先考虑J2摄动和推力仅存在于追踪航天器的周向和法向,推导了状态依赖配点(SDC)形式的非线性相对运动方程。然后针对终端状态为零的轨道交会问题,采用SDRE方法得到了最优反馈控制律,并给出了状态依赖Riccati微分方程的近似求解策略和数值求解策略。接着扩展了SDRE方法并将其用于终端状态不为零的编队卫星队形重构问题,并给出了相应的数值求解策略。相比于伪谱法等优化方法,本文提出的方法不需要初始猜测值。此外,数值仿真表明,解析求解Riccati微分方程方法对于近圆轨道具有较高的精度,数值计算方法对即使偏心率为0.3的椭圆轨道,其最优性偏差仍小于6%。     

空间交会调相特殊点变轨求解算法

空间交会调相是交会轨道控制的关键问题,本文给出了摄动条件下交会调相特殊点变轨求解算法.算法由粗求解器和细求解器组成:粗求解器中仅迭代部分设计变量,其余设计变量由Gauss型摄动运动方程解析计算;细求解器以粗求解器计算结果为初值,迭代所有设计变量获得较精确满足终端条件的解.算法简单可靠,适用于工程实际,算法的有效性得到了STK高精度轨道预报模块的验证.     

利用时域配点法的卫星相对运动周期轨道求解研究

为更精确而有效地求解卫星相对运动周期性轨道,提出了一种新的数值求解方法,该法是基于时域配点(TDC)方法研究存在J2项的非线性相对运动模型的周期解。在TDC方法中,预先将期望得到的周期解假定为傅里叶级数展开,再将傅里叶级数展开形成的近似解代入原非线性方程中,得到剩余误差函数并令其等于0,其本质是一种平衡剩余误差的方法。可通过此方法用C-W方程或T-H方程的相对运动轨道的初始条件生成边界轨道。TDC方法较一般的数值方法更精确。数值仿真表明:应用TDC方法后,能获得闭合的相对运动轨迹。研究对解决相对运动轨道维持中节省燃料和编队飞行动力学有重要的意义。     

发射极月卫星的转移轨道研究

极月轨道是轨道面垂直于月球赤道面的月球卫星轨道,这是新一轮的月球探测活动常用的轨道。本文对发射极月卫星的转移轨道进行了全局性的研究。转移轨道的近地点高度、近月点高度及从近地点到近月点的飞行转移时间都是预先选定的。本文采用全局迭代法找出所有满足条件的转移轨道,并对其特性进行了分析。迭代过程中所需的全局状态转移矩阵是基于矩阵微分方程和飞行器运动的微分方程一起用数值积分法求得的。     

空间相对运动方程的精确解析解

本文提出了求解空间飞行器相对运动方程的一种新方法。导出了解的普遍公式,得到了无摄相对运动的精确解析解,从而使空间相对运动方程的求解问题得以彻底解决,又进一步论证了一个关于引力摄动的定理,导出了直接求解引力摄动基本运动与相对运动的公式。     

Halo轨道维持的线性周期控制策略

共线型平动点附近的Halo轨道具有指数不稳定性,轨道维持是必不可少的。推导了基于Halo轨道的误差动力学方程,并证明其一阶近似即为线性周期系统。以一次维持的作用时间为离散步长,并通过定常变换,将所得误差动力学化为线性离散定常系统;则仅需通过极点配置,即可实现Halo轨道镇定。研究结果表明,利用Halo轨道周期性设计的线性周期控制策略,可以满足轨道维持任务的需要。     

Revisiting the general periodic relative motion in elliptic reference orbits

A general periodicity condition is presented by analyzing the relative motion between two spacecraft performing formation flight in Keplerian elliptic orbits. The Tschauner–Hempel equation is used to describe the relative motion, and the general periodicity condition is derived through a state transition matrix with a true anomaly as a free variable. The general periodicity condition is also derived by using the energy matching condition, and the resulting periodic conditions by two approaches are compared to each other. Moreover, the zero offset condition is presented to locate the leader spacecraft at the center of the formation geometry. Then, the periodic relative motion in the elliptic reference orbit is expressed using the periodicity condition and the zero offset condition. Numerical simulations demonstrate the periodic relative motion in the elliptic reference orbit, and the results show that the general periodicity condition guarantees the bounded periodic relative motion in arbitrary elliptic orbits, and the zero offset condition makes the formation center coincide with the leader spacecraft.     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

基于T-H方程的卫星轨迹模型参考输出跟踪控制方法

当目标卫星沿椭圆轨道运行时,描述追踪星与目标星相对运动的线性化方程为T-H方程。将描述航天器相对运动的T-H方程变换为周期系统的状态空间形式,并给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述。基于周期系统的参量Lyapunov方法和模型参考跟踪控制理论,提出了卫星轨迹跟踪控制器的设计方法。利用该方法设计了带有收敛速率保障的反馈镇定控制器和具有自由参数的前馈控制器。对追踪星相对目标星悬停任务进行了数值仿真,仿真结果表明提出的控制方案是有效的。     

航天器相对运动建模及周期性相对运动求解

面向航天器编队飞行的需求,对椭圆参考轨道航天器非线性周期相对运动条件进行研究,提出了确定椭圆参考轨道编队航天器非线性周期性相对运动条件的新方法。首先,考虑非线性、椭圆轨道等因素,通过哈密尔顿-雅可比(HJ)方程和正则摄动理论,推导了在任意非线性摄动下相对运动的模型和获得不需消耗任何燃料的周期性相对运动轨道的条件;然后,采用时域配点法,结合改进的列文伯格-马夸尔特(LM)法对周期性相对运动的初值进行求解;最后,设计数值仿真算例,利用上述条件,得到不消耗任何燃料的周期性绕飞轨道,由此验证了本文所提模型和方法的正确性。     

Solar sail formation flying on an inclined Earth orbit

The versatility of solar sail propulsion can be utilized in the exploration of Earth’s magnetotail. An inclined periodic orbit with respect to ecliptic is possible for a solar sail with its orbital plane in synchronous rotation with the sun. Solar sail evolving on such an inclined orbit is free of Earth shadow. Formation flying of a cluster of sails around such an inclined periodic orbit is investigated in this paper. The solution of the first-order approximation to the linear relative motion is used to qualitatively analyze the configurations of relative orbits. Since the relative motion is unstable, active control is necessary to keep a periodic relative motion. A typical LQR method is employed to stabilize the relative motion. The design method is validated by numerical examples.     

Optimal control of a spinning double-pyramid Earth-pointing tethered formation

The dynamics and control of a tethered satellite formation for Earth-pointing observation missions is considered. For most practical applications in Earth orbit, a tether formation must be spinning in order to maintain tension in the tethers. It is possible to obtain periodic spinning solutions for a triangular formation whose initial conditions are close to the orbit normal. However, these solutions contain significant deviations of the satellites on a sphere relative to the desired Earth-pointing configuration. To maintain a plane of satellites spinning normal to the orbit plane, it is necessary to utilize “anchors”. Such a configuration resembles a double-pyramid. In this paper, control of a double-pyramid tethered formation is studied. The equations of motion are derived in a floating orbital coordinate system for the general case of an elliptic reference orbit. The motion of the satellites is derived assuming inelastic tethers that can vary in length in a controlled manner. Cartesian coordinates in a rotating reference frame attached to the desired spin frame provide a simple means of expressing the equations of motion, together with a set of constraint equations for the tether tensions. Periodic optimal control theory is applied to the system to determine sets of controlled periodic trajectories by varying the lengths of all interconnecting tethers (nine in total), as well as retrieval and simple reconfiguration trajectories. A modal analysis of the system is also performed using a lumped mass representation of the tethers.     

航天器环绕小行星Ivar的运动分析

将小行星Ivar近似为三轴椭球体，给出了非球形引力势函数，建立了航天器环绕小行星Ivar的轨道动力学方程。利用Jacobi积分常数绘制了航天器在Ivar周围的零速度曲线，并分析了航天器的可能运动区域，给出了航天器不碰撞小行星Ivar的边界条件及不同偏心率下的近拱点半径。分析了小行星Ivar扁率和椭率对环绕轨道的影响，数学仿真结果表明：在一个轨道周期内，顺行轨道的开普勒能量、轨道角动量、偏心率和近拱点半径变化较大，而逆行轨道的相应参数变化较小。     

系统参数对电动力绳系动力学的影响

将电动力绳系(EDT)的主星质量、子星质量、绳系质量以及绳系中的电流视为系统参数，研究这些参数对系统的摆动动力学和轨道动力学的影响。哑铃模型下的电动力绳系摆动动力学方程存在不稳定的周期解，通过Floquet理论来衡量周期解的不稳定程度，从而研究各系统参数对摆动动力学的影响。建立了用春分点轨道元素的形式描述的电动力绳系轨道动力学方程，并以降轨时间来衡量电动力绳系的降轨效率，从而研究系统参数对轨道动力学的影响。运用算例对周期解迁移矩阵的特征值、降轨时间随各系统参数的变化关系进行了仿真，分别得出了各系统参数对系统摆动动力学和轨道动力学的影响。综合本文的仿真结果，并考虑实际发射及空间运行中的其它因素，对电动力绳系的设计和降轨策略提出了建议。     

Manifold dynamics in the Earth–Moon system via isomorphic mapping with application to spacecraft end-of-life strategies

Recently, manifold dynamics has assumed an increasing relevance for analysis and design of low-energy missions, both in the Earth–Moon system and in alternative multibody environments. With regard to lunar missions, exterior and interior transfers, based on the transit through the regions where the collinear libration points L₁ and L₂ are located, have been studied for a long time and some space missions have already taken advantage of the results of these studies. This paper is focused on the definition and use of a special isomorphic mapping for low-energy mission analysis. A convenient set of cylindrical coordinates is employed to describe the spacecraft dynamics (i.e. position and velocity), in the context of the circular restricted three-body problem, used to model the spacecraft motion in the Earth–Moon system. This isomorphic mapping of trajectories allows the identification and intuitive representation of periodic orbits and of the related invariant manifolds, which correspond to tubes that emanate from the curve associated with the periodic orbit. Heteroclinic connections, i.e. the trajectories that belong to both the stable and the unstable manifolds of two distinct periodic orbits, can be easily detected by means of this representation. This paper illustrates the use of isomorphic mapping for finding (a) periodic orbits, (b) heteroclinic connections between trajectories emanating from two Lyapunov orbits, the first at L₁, and the second at L₂, and (c) heteroclinic connections between trajectories emanating from the Lyapunov orbit at L₁ and from a particular unstable lunar orbit. Heteroclinic trajectories are asymptotic trajectories that travels at zero-propellant cost. In practical situations, a modest delta-v budget is required to perform transfers along the manifolds. This circumstance implies the possibility of performing complex missions, by combining different types of trajectory arcs belonging to the manifolds. This work studies also the possible application of manifold dynamics to defining suitable, convenient end-of-life strategies for spacecraft orbiting the Earth. Seven distinct options are identified, and lead to placing the spacecraft into the final disposal orbit, which is either (a) a lunar capture orbit, (b) a lunar impact trajectory, (c) a stable lunar periodic orbit, or (d) an outer orbit, never approaching the Earth or the Moon. Two remarkable properties that relate the velocity variations with the spacecraft energy are employed for the purpose of identifying the optimal locations, magnitudes, and directions of the velocity impulses needed to perform the seven transfer trajectories. The overall performance of each end-of-life strategy is evaluated in terms of time of flight and propellant budget.