地月低能转移轨道设计方法研究

研究地月低能转移轨道的设计方法。这种低能转移轨道利用了弱稳定边界理论，通过太阳的引力摄动，使得探测器能够不经过减速就被月球俘获。与经典的霍曼转移相比，低能转移轨道呵节省约140m／s的速度脉冲。由于设计是基于叫体问题模型进行的，问题具有很强的非线性特性，寻找满足约束条件的转移轨道变得非常困难。常用的两点边值问题的解法在这里都失效。本文在研究地月低能转移轨道特忡的基础上，对一般地月转移轨道搜索的变步长爬山法进行改进，用来设计地月低能转移轨道。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于大幅值Lyapunov轨道稳定流形的地月转移方法

针对现有的基于不变流形地月转移轨道设计方法存在的转移时间长、需要额外速度增量的缺点,本文利用平面圆型限制性三体问题下大幅值Lyapunov轨道的稳定流形,提出了一种地月低能转移轨道设计方法。首先计算与给定近月轨道相切的大幅值Lyapunov轨道作为参考轨道;然后根据小偏差值对稳定流形的影响确定Lyapunov轨道初始点的取值范围;再通过最近点截面确定与给定近地轨道相切的Lyapunov轨道的稳定流形;最后根据稳定流形的切点调整近月轨道半径,通过一条稳定流形直接连接近地轨道与近月轨道来实现地月转移。仿真结果表明,该方法仅需要两次速度增量,在能耗较低的前提下大大减少了探测器渐近Lyapunov轨道时的飞行时间,为地月低能转移轨道的设计提供了一种新思路。     

绕月飞行的大幅值逆行轨道研究

以地-月系为背景,研究了绕月飞行的大幅值逆行轨道(DRO)的轨道稳定性,及轨道转移等问题。数值结果表明：太阳引力对DRO稳定性有破坏作用,但仍能保持较长时间的绕飞。随后,利用与DRO相切的Lyapunov轨道研究了DRO的低能轨道转移：利用地月系LL1点Lyapunov轨道的不变流形,实现DRO的快速转移;利用
LL2点Lyapunov轨道作为弱稳定边界（WSB）转移的入口,实现DRO的低能转移。显然,得到的两类转移方式完全不同于以往的研究,且数值仿真表明了设计方法的可行性。

     

地月空间NRHO与DRO在月球探测中的应用研究

针对地月系统三体问题低能往返轨道转移在月球探测中的应用研究，结合天体借力飞行技术与混合优化技术，系统分析了不同目标轨道与借力方位对任务飞行时间与燃料消耗等关键参数的影响，给出了往返轨道设计初值的选择策略。针对轨道设计初值猜想问题，首先采用遗传算法与二体Lambert转移快速确定轨迹拼接点初值。在同时考虑近月点与近地点多约束条件下，基于序列二次规划算法与多重打靶法进一步对燃料最优的地月往返轨道进行研究，并推导了约束方程解析梯度提高设计效率。最后分析近月点高度、不同目标轨道的转移时间与燃耗变化特性，对于考虑月球借力的地月空间轨道往返转移设计及参数选取具有重要的参考价值。     

考虑环月交会约束的地月转移轨道设计

面向载人登月任务需要,针对着陆器地月转移轨道及环月停泊轨道设计问题进行了研究。结合月面着陆点约束条件设计环月交会轨道,分析环月停泊轨道受月球高阶引力场摄动的影响,并得到轨道根数漂移量关于不同停泊时长、不同远月点高度等因素的变化情况。以上述结果作为地月转移段的约束条件优化设计星历模型下地月转移轨道,并结合轨道根数漂移规律设计环月停泊段轨道及后续机动,从而实现转移-停泊-交会一体化轨道优化设计。在此基础上遍历不同发射时刻,搜索地月转移轨道发射窗口。该方法能够实现长时间环月停泊的着陆器转移-停泊轨道设计且可以满足大范围窗口的搜索需求。仿真校验结果表明提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下着陆器地月转移及停泊轨道,为载人登月任务的轨道设计提供参考。     

考虑火箭约束的深空探测弹轨道拼接模型

针对深空探测任务轨迹规划中对于运载火箭弹道约束考虑不足、弹轨道拼接设计效率低的现状,建立了考虑运载火箭射向和末级滑行时间约束的弹轨道拼接计算模型,在无引力摄动假设下得到了任意深空出发速度条件下的运载火箭射向和末级滑行时间计算公式。利用该模型分析了弹轨道可成功拼接的集合范围随深空出发速度、发射场地理位置、火箭射向和滑行时间约束范围的变化规律。提出深空出发"赤纬-发射能量"(δ-C3)图方法,可在图上表示指定型号运载火箭深空发射能力可行域,结合深空轨道转移Pork-Chop图方法,可以快速判断该型运载火箭是否适用于特定深空发射任务。依据这一方法,提出了对我国未来深空探测运载火箭射向和末级滑行时间的能力需求。     

环月飞行器返回轨道设计与优化

针对传统月地返回轨道设计方法在从初始轨道直接转移的局限性，提出一种基于Lambert问题的月地转移轨道设计方法。该方法重新选取了轨道约束参数，并在笛卡尔坐标系下建立了返回轨道动力学模型，并基于该模型全面分析了返回轨道关于约束参数的变化特性。此外，针对带有约束条件的返回轨道优化设计问题，提出了快速收敛的函数构造法，并给出了有效的目标函数形式。以某一在轨环月飞行器的轨道参数作为初始轨道进行返回轨道计算，结果验证了所提出返回轨道设计方法以及函数构造法的有效性。     

地-月系平动点及Halo轨道的应用研究

地-月系统的平动点L1点及L2点的Halo轨道在探月工程中有重要的应用价值，可分别用于地月连续通信覆盖和月球背面的探测。由于在地-月系统中太阳的引力不可忽略，特别是在长时间作用以后，其动力学行为与摄动力较小的日-地系统有明显的不同。本文分析了如何利用太阳引力进入地-月系统的L1点及L2点的Halo轨道、以及由Halo轨道进入近月轨道的问题，两者综合起来构成了一条完整的地月低能转移轨道。研究结果对探月轨道设计有一定的参考价值。     

基于紫外敏感器的地月转移轨道慢旋探测器自主导航算法

针对地月转移轨道的慢旋探测器.提出一种基于紫外敏感器的自主导航算法.探测器对日定向,生成初始姿态.紫外敏感器具有大视场特性,绕横轴旋转一周可以实现对全天球70%左右空间的覆盖,因此有很大的机会在地月转移轨道实现对地球和月球的观测并获得地心方向和月心方向的测量值.本文首先对紫外敏感器的环形视场进行分析,利用解析方法推导出敏感器对月/地可见条件.其次研究由地心方向和月心方向单次测量来确定轨道参数的初始估值.最后研究如何利用每个自旋周期分别对地心方向和月心方向最多各一次的测量数据,估计探测器轨道参数的方法,并给出数学仿真结果.     

探测器月地转移入射变轨策略优化设计

在探测器月球采样返回任务中,从环绕月球的轨道返回地球的转移入射考虑采用一次变轨或两次变轨的方案。其中,月地转移入射一次变轨方案要求采用大推力变轨发动机,难以实现高精度轨道控制。为此,文章提出将月地转移入射一次变轨机动改为分两次执行,两次间隔大约1天的优化策略。首先讨论了月地转移入射一次变轨的基本设计方法,然后给出了月地转移入射两次变轨方案的优化设计算法流程,并采用数值算例进行了说明。此外,还对月地转移入射三脉冲变轨方案和低能月地转移轨道展开了讨论,并在多方案比较分析的基础上,推荐了月球采样返回任务采用的月地转移入射变轨策略。     

考虑地球扁率效应的两圆轨道之间的双共切最优转移

两圆轨道之间的双共切转移轨道是其近地点和远地点分别在这两个圆轨道上的椭圆轨道。本文用两次冲量法给出了沿双共切椭圆轨道实现从一圆轨道向另一圆轨道转移的最优方案，并考虑到地球扁率造成的轨道摄动。文中的所谓圆轨道指的是变轨时刻的密切轨道为圆形的轨道，是对近圆轨道的近似替找。     

从地球到日-火系平动点轨道的转移

平动点轨道特殊的空间位置及动力学特征,使其在深空探测中具有重要的应用。以日-火系平动点轨道(Lissajous与Halo轨道)任务为目标,结合平动点轨道的不变流形理论,研究了小推力转移问题。首先给出了圆型限制性三体动力学模型下平动点附近不变流形(稳定和不稳定流形)高阶分析解以及相应的计算实例。接着以流形分析解为基础,建立了初始小推力轨道优化模型,并利用改进的协作进化算法求解初始小推力轨道。最后将初始轨道离散,采用多点打靶法将最优控制问题转化为参数优化问题,并用序列二次规划方法(SQP)求解。仿真结果证明轨道设计方法的有效性。     

Stability and chaos of a damped satellite partially filled with liquid

The stability and chaotic motions of a damped satellite partially filled with liquid which is subjected to external disturbance are investigated in this paper. With linearization analysis, the stability of the two non-trivial equilibrium points is studied. The homoclinic and heteroclinic orbits are found by using the undetermined coefficient method, and the convergence of the series expansions of these two types of orbits is proved. It analytically demonstrates that there exist homoclinic orbits of the Si’lnikov type that join the two non-trivial equilibrium points to themselves, and therefore smale horseshoes and the horseshoe chaos occur for this system via the Si’lnikov criterion. In addition, there also exists a heteroclinic orbit connecting the two non-trivial equilibrium points. Numerical simulations are also given, which verify the analytical results. The system can be chaotic through period-doubling bifurcations as the amplitude of the external disturbance varies, and backward period-doubling bifurcations as the angular momentum of the rotor varies.     

Stability and chaos of a damped satellite partially filled with liquid

The stability and chaotic motions of a damped satellite partially filled with liquid which is subjected to external disturbance are investigated in this paper. With linearization analysis, the stability of the two non-trivial equilibrium points is studied. The homoclinic and heteroclinic orbits are found by using the undetermined coefficient method, and the convergence of the series expansions of these two types of orbits is proved. It analytically demonstrates that there exist homoclinic orbits of the Si’lnikov type that join the two non-trivial equilibrium points to themselves, and therefore smale horseshoes and the horseshoe chaos occur for this system via the Si’lnikov criterion. In addition, there also exists a heteroclinic orbit connecting the two non-trivial equilibrium points. Numerical simulations are also given, which verify the analytical results. The system can be chaotic through period-doubling bifurcations as the amplitude of the external disturbance varies, and backward period-doubling bifurcations as the angular momentum of the rotor varies.     

太阳帆绕地球周期轨道研究

  地球同步和太阳同步卫星在各个领域有着广泛的应用。静止轨道是一种特殊的地球同步轨道,轨道资源有限。利用化学推进或电推进可以实现轨道高度不同的同步轨道,如悬挂轨道,但需要消耗较多的燃料,工程上无法承受。本文考虑利用太阳帆实现地球同步和太阳同步轨道。太阳光压力在轨道平面内沿拱线方向,选择光压力与平面的夹角使得轨道平面的旋转速率与太阳光同步。研究表明,设计合适的半长轴和偏心率可以使得轨道旋转速率与地球自转速率一致。假设太阳光与赤道平面平行,可以得到准静止轨道,太阳帆将在传统静止轨道的附近运动,星下点的经度将在一个固定值附近振动。实际上太阳光是与黄道面平行,黄道面与赤道面之间存在夹角。考虑黄赤交角的情况下,太阳帆将在一定纬度和经度范围内运动。适合于对某个区域进行长期观测任务。     

定时定点月面着陆全程轨道控制设计

针对定时定点月面着陆的目标要求，提出了全程轨道控制设计方法。进行了包括地月转移、近月制动、环月降轨和动力下降的全程轨道控制的分段设计和联合规划，实现在入轨轨道偏差条件下的定时定点月面着陆。分别构建了中途修正、近月制动、环月降轨三段轨道控制的规划变量和目标参数；根据轨道倾角建立了动力下降点与着陆点的匹配转换关系。设计了中途修正、近月制动、环月降轨、动力下降的全程轨道控制策略的联合规划。建立了着陆位置偏差与轨道倾角偏差、着陆时间偏差与轨道半长轴偏差的修正关系，修正设计了中途修正目标倾角和近月制动目标半长轴。仿真算例表明，在入轨偏差轨道条件下，保证了中途修正后的飞行轨道与标称轨道基本一致，实现了与标称状态基本一致的定时定点月面着陆。可应用于月球着陆、月球采样返回以及载人登月等实施月面定时定点着陆任务的轨道设计和控制实施。     

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。     

Formation design in elliptical orbit using relative orbit elements

A new set of relative orbit elements is strictly defined through spherical geometry. The exact transformation equations between the new relative orbit elements and classical-orbital elements are derived. A new relative motion model with no singularity problem is derived based on the relative orbit elements, which are suitable for both elliptical and circular reference orbits. The in-plane and out-of-plane relative motion can be completely decoupled based on the new model. The inverse transformation of state transfer matrix is obtained to analyze perturbation effects and control strategy. The geometric characteristics of relative motion can be easily described using the relative eccentricity/inclination vector method. The proposed method and conclusions are validated by simulation through some typical examples. This paper improves the basic theory of relative orbit elements and unifies the expressions of the elliptical and near-circular close relative motion.     

基于序优化理论的晕轨道转移轨道设计

利用晕轨道的稳定流形可以设计从地球到晕轨道的转移轨道。但由于小幅度晕轨道的稳 定流形与地球停泊轨道无法相交,因此需采用两脉冲转移。微分修正法是求解两脉冲转移常 用的优化方法,虽然收敛速度快,但很难获取全局最优解,而且收敛半径小,如果初始猜想 与最优解相差很远,该方法可能会不收敛。将序优化理论与微分修正法相结合,利用序优化 思想缩小搜索空间,得到足够好的初始猜想,然后利用微分修正法快速收敛到满足终端精度 要求的解。仿真结果表明该方法有很好的收敛性,且计算量小。