探测器定点在日-地＋月系三角平动点附近的轨道控制

日-地+月系统的三角平动点相对两个中心天体不变的几何构型使得它们可以作为某些特殊探测器的放置场所.尽管在圆型限制性三体问题下三角平动点附近的运动是稳定的.在探测器的实际运行过程中,由于其它天体的摄动,轨道控制仍是需要的.根据三角平动点的动力学特征对探测器定点在日-地+月系统的三角平动点附近的轨道保持问题作了相应的研究.     

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。     

约束条件下的Halo轨道转移轨道设计

平动点任务的转移轨道往往存在约束条件,以往的研究集中于无约束条件下的Halo轨道转移轨道设计,研究约束条件下的Halo轨道的转移轨道设计问题.首先分析了平动点任务转移轨道的约束条件,然后给出了一种约束条件下Halo轨道转移轨道设计的一般方法,重点推导了考虑轨道高度、航迹角、轨道倾角、升交点约束的微分修正公式.然后以日地L,点附近的Halo轨道为目标轨道,在约束条件下设计了其转移轨道,仿真结果验证了本文方法的有效性.     

一种新的共线平动点拟周期轨道稳定保持策略

限制性三体问题下共线平动点附近的拟周期轨道在深空探测中具有重要的实际应用价值,得到了各航天大国的广泛重视。通过将动力学中心流形结构引入轨道控制方法的设计之中,得到了基于投影到中心流形的共线平动点拟周期轨道稳定保持策略。首先推导了会合坐标到中心流形坐标的正则变换方法,在此基础上设法通过引入轨道机动,将偏差状态点投影到中心流形上,从而达到消除不稳定分量的目的。该方法充分整合了平动点的动力学特性,并且也适用于周期轨道的稳定保持。通过对Lissajous轨道和晕轨道的数值仿真表明,该方法较以往方法具有更强的稳定性,能在显著降低轨控燃料消耗的基础上达到较好的稳定保持效果。     

共线平动点的动力学特征及其在深空探测中的应用

首先系统地阐述了限制性三体问题中共线平动点的动力学特征,给出了这类平动点附近的中心流形（周期轨道和拟周期轨道）及双曲流形（稳定与不稳定流形）的计算方法,并在限制性三体问题模型下给出了相应的数值算例。在此基础上,进一步探讨了将探测器定点在共线平动点附近的条件和相应的轨道控制问题以及如何利用共线平动点的不稳定性实现节能过渡问题,并在太阳系多天体引力模型下给出了一些算例。     

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...     

平动点轨道的动力学与控制研究综述

平动点轨道在深空探测领域具有重要的应用价值,引起了国内外航天界的密切关注.详细介绍了平动点轨道的发展历史,并深入剖析平动点附近的相空间结构和同＼异宿连接的力学机制;论述Halo轨道转移方式的实现、轨道维持策略及平动点轨道的姿态描述,然后讨论了实现深空组网的平动点星座建立.平动点具有十分丰富的内容,在轨道动力学其他领域亦有扩展,细致分析了平动点理论在地月转移、太阳帆轨平动点以及近地编队飞行等方面的应用.     

航天器Halo轨道间转移的滚动时域控制

针对航天器在日/地系统共线平动点附近Halo轨道族之间的轨道转移问题,提出了一种在线实时求解滚动时域控制的新方法。首先采用高效的辛自适应非线性最优控制数值算法,离线规划出航天器在不同Halo轨道之间转移的最优轨迹和最优控制输入。然后提出一种在线实时求解滚动时域控制的新方法,基于已规划好的最优转移轨迹,应用滚动时域控制方法完成航天器在初始入轨偏差下的在线实时制导控制任务。最后的非线性动力学系统数值仿真结果表明:所提出的求解滚动时域控制的方法具有高效率特点,能够在线实时求解航天器在Halo轨道之间转移的制导控制问题,并很快消除初始入轨误差的影响。     

一种适用于大幅值Quasi周期轨道的数值构造方法

针对现有方法在构造大幅值quasi周期轨道时收敛性和通用性不足等问题,提出一种适用于大幅值quasi周期轨道的数值构造方法。首先针对2维不变环面的计算问题,设计了映射间隔约束的环面多步微分修正算法。在此基础上,采用自然参数延拓法和伪弧长延拓法两种不同的思路构造等映射间隔的quasi周期轨道族。接着以quasi-Vertical为对象分析了两种思路各自的特点。最后以quasi-Axial, quasi-DRO等为对象验证了方法对三角平动点及多对复特征值情况的适用性。仿真结果表明,所提出的方法能够简单有效地解决多种类型幅值比超过1.2的大幅值quasi周期轨道的数值计算问题。     

地月系平动点轨道动力学建模与控制策略研究

根据嫦娥四号探测器开展月球背面探测的中继通信需求,基于地月系平动点特性,建立考虑三体引力的高精度动力学模型,给出不同飞行阶段的轨道求解方法。在动力学模型和求解方法基础上,结合嫦娥四号"鹊桥"中继卫星的轨道设计,提出了最佳轨道方案和轨道控制策略。"鹊桥"卫星的飞行实践结果表明:动力学建模及轨道设计结果正确,满足中继任务需求,相关模型和方法可为未来平动点任务提供参考。     

Earth–Moon libration point orbit stationkeeping: Theory,modeling, and operations

Collinear Earth–Moon libration points have emerged as locations with immediate applications. These libration point orbits are inherently unstable and must be maintained regularly which constrains operations and maneuver locations. Stationkeeping is challenging due to relatively short time scales for divergence, effects of large orbital eccentricity of the secondary body, and third-body perturbations. Using the Acceleration Reconnection and Turbulence and Electrodynamics of the Moon's Interaction with the Sun (ARTEMIS) mission orbit as a platform, the fundamental behavior of the trajectories is explored using Poincaré maps in the circular restricted three-body problem. Operational stationkeeping results obtained using the Optimal Continuation Strategy are presented and compared to orbit stability information generated from mode analysis based in dynamical systems theory.     

空间停靠动力学和控制

本文研究空间停靠是广义的，它包括停留和靠近两个内容。本文首先研究空间靠近动力学方程；其次讨论保持点的动力学特性和保持点轨迹稳定的必要条件；最后介绍靠近段安全可靠的控制策略，其中包括主动稳定保持点轨迹的控制方案。     

Optimization of low-thrust orbit transfers with constraints

Approximate numerical methods of optimization are presented for multi-orbit noncoplanar orbit transfers of low-thrust spacecraft. The linear representation of derivatives of boundary parameters is used in the vicinity of a reference trajectory with its discretization into small segments. For each segment a set of pseudo-impulses is introduced, representing possible directions of the thrust vector. In order to solve essentially nonlinear problems, the iterative process of upgrading the reference trajectory is used. At each iteration the linear programming problem of high dimensionality is solved, its boundary conditions being represented in the form of a linear matrix equation. Interval constraints are considered in the form of blocking the propulsion system operation on shadow segments of the orbit, as well as cycling constraints, and constraints on total duration of maneuvers at certain trajectory segments. The results of comparison with solutions obtained by other methods are presented together with examples illustrating the convergence of iterative processes. Optimizations of the trajectories for launching geosynchronous satellites to their orbits and of the trajectories of a noncoplanar transfer from low to high-elliptic Molniya orbit are considered under these constraints.     

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。     

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。     

初值不确定轨道可达区域计算

为计算航天器轨道初值不确定造成的可达区域（RD）,提出一种适用于椭圆参考轨道的计算方法。以航天器的名义轨道作为基线,定义一个随时间变化的移动参考平面,在此移动平面上建立名义轨道到可达区域上任一点的距离函数,函数的极大值点即为可达区包络的边界点,从而将问题转换为非线性方程组的求解问题,并对动力学模型部分线性化带来的误差进行了分析。随后采用变参数的自适应同伦算法对方程组进行求解。最后对航天器释放微小卫星的实例进行数值仿真,结果显示该方法可行有效。     

Optimization of space orbits design for Earth orbiting missions

In Earth orbiting space missions, the orbit selection dictates the mission parameters like the ground resolution, the area coverage, and the frequency of coverage parameters. To achieve desired mission parameters, usually Earth regions of interest are identified and the spacecraft is maneuvered continuously to visit only these regions. This method is expensive, it requires a propulsion system onboard the spacecraft, working throughout the mission lifetime. It also requires a longer time to cover all the regions of interest, due to the very weak thrust forces compared to that of the Earth's gravitational field. This paper presents a methodology to design natural orbits, in which the regions of interest are visited without the use of propulsion systems, depending only on the gravitational forces. The problem is formulated as an optimization problem. A genetic algorithm along with a second order gradient method is implemented for optimization. The design process takes into consideration the gravitational second zonal harmonic, and hence allows for the design of repeated Sun-synchronous orbits. The field of view of the payload is also taken into consideration in the optimization process. Numerical results are presented that demonstrates the efficiency of the proposed method.     

Horseshoe orbits in the Earth–Moon system

Horseshoe orbits in the restricted three-body problem have been mostly considered in the Sun–Jupiter system and, in recent years, in the Sun–Earth system. Here, these orbits have been used to find asteroids that have orbits of this kind. We have built a planar family of horseshoe orbits in the Earth–Moon system and determined the points of planar and 1/1 vertical resonances on this family. We have presented examples of orbits generated by these spatial families.     

空间交会动力学和安全模式

本文首先导出空间交会相对运动方程并给出其物理解释,然后给出动力学方程的解析解,并分析其动力学性质,最后导出不碰撞安全区和位置保持点的表达式。选择适当初始条件可以求出安全区和保持点。