深空探测器定位在共线平动点附近的线性策略

深空探测器需要定位在日-地(月)系的共线平动点L1或L2附近执行探测任务,但由于共线平动点的不稳定性,必须在运行期间进行轨控。对于条件周期轨道(如晕轨道)必须在控制过程中考虑高次项,控制条件复杂,技术上实现相对困难。而某些探测任务,探测器定位在共线平动点附近的条件拟周期轨道(对应L issajous轨道)上亦可以。这种类型的轨道可以离共线平动点较近,那么只需要在控制过程中考虑线性项即可,控制条件简单。以圆型限制性三体问题作为基本模型,采用预估-校正法逼近线性化模型下的目标轨道,给出在轨运行期间的轨控策略亦是可取的,这种控制措施相对而言较简单,容易实现。仿真计算结果表明是可行的,能够提供较高的位置精度。     

WSO／UV（世界空间紫外天文台）的轨道特征与轨道保持

WSOO／UV(世界空间紫外天文台)需要发射到日-地(月)系的共线平动点L1附近进行巡天观测，相对日-地(月)要求其几何位置几乎不变，因此有必要阐明共线平动点的动力学特征及其附近的运动状况。本文基于这一点，对限制性三体模型下，日-地(月)系中共线平动点附近扰动运动的稳定性作了理论分析，给出了WSO／UV轨道保持的条件及其在运行阶段的轨控措施。     

关于探测器定点在共线平动点附近的控制问题

对探测器定点在共线平动点附近的轨道控制提出了一种小推力方案,针对日-地（月）系的具体背景给出了数值模拟结果,并对其进行了相应的分析.     

基于特征模型的Halo轨道维持控制

平动点，尤其是共线平动点轨道在未来深空探测活动中具有重要的应用价值，但由于共线平动点轨道不稳定，运行在其上的航天器在无控情况下将很快偏离标称轨道，因此在实际任务中，轨道维持必不可少。针对地月系L₂点附近的Halo轨道维持问题，首先在圆型限制性三体模型下，利用Richardson三阶近似解析解、微分修正以及打靶法获得了用于维持控制的标称轨道；然后设计了基于特征模型理论的黄金分割控制器用于速度跟踪以及PD控制器用于位置跟踪；最后分别在圆型限制性三体模型和双圆限制性四体模型下进行了仿真分析。结果表明：在两种模型下，位置和速度的跟踪精度分别优于100 m和0.003 m/s，但双圆限制性四体模型下所需总的速度增量比圆型限制性三体模型下所需总的速度增量高一个数量级。     

RCD太阳帆航天器人工平动点轨道保持与控制

针对航天器平动点轨道保持问题,研究了含有反射率控制设备(RCD)的太阳帆航天器在日地系共线人工平动点处的轨道保持与控制,同时降低因频繁改变航天器姿态所带来的振动问题。首先,基于太阳帆圆型限制性三体问题,计算了RCD型太阳帆人工平动点位置,给出了太阳帆共线人工平动点三阶Halo轨道,并将其作为参考轨道;然后,将太阳帆动力学方程线性化,采用跟踪控制输出的方法对线性模型进行控制;最后,通过合理选择控制变量矩阵,将控制律代入非线性模型中进行轨道保持控制。仿真结果表明,通过控制RCD太阳帆反射率设备参数及姿态角,实现了长时间的Halo轨道保持,同时大幅减小了太阳帆姿态角的改变,从而减小了帆面振动,为太阳帆航天器长期轨道任务的实现提供了良好的理论依据。     

基于地月三角平动点的卫星自主定轨

近年提出了利用地月系平动点建立深空导航星座的设想。在受太阳摄动的真实力模型下,地月系平动点是不稳定的,从而会导致导航星座必须通过控制才能定点在特定区域。针对此问题,引入一种特殊的平动点轨道,即动力学替代轨道。平动点轨道卫星星座可利用星间测距数据自主定轨,由于动力学替代轨道具有长期稳定性,整个自主定轨过程不需要来自地面的测控支持,且定轨精度可达到观测精度。研究结果表明,观测资料的长短、导航卫星垂直白道面的运动分量都将影响到导航星间的自主定轨精度。该研究成果可以应用在以后的地月系导航星座中。     

基于三体Lambert算法的平动点交会轨道设计

针对未来建设地月系L2点空间站的需求,提出利用三体Lambert算法研究地月系L2点附近轨道的交会问题,包括设计同一Halo轨道上不同相位两航天器之间的交会转移轨道以及设计不同振幅Halo轨道之间的交会转移轨道。针对现有三体Lambert算法求解长时间轨道转移问题收敛性差的缺陷,提出利用遗传算法求解初始参考轨道,进而通过同伦牛顿-拉夫逊迭代求解目标转移轨道的方法。计算结果表明,该方法能够有效解决长时间交会轨道转移问题,可以为地月空间平动点区域空间站建设提供参考。     

嫦娥探测器轨道测定中的科学与技术问题

嫦娥探测器轨道测定技术既是成功完成工程任务的基础,也对月球科学研究起着重要作用。嫦娥探测器的轨道测定与地球航天器的轨道测定有诸多不同之处,本文介绍了绕月球探测与绕地球探测在测定轨技术方面的差异,并介绍了基于"嫦娥一号"、"嫦娥二号"月球探测器建立月面地形以及月球重力场模型的研究进展,最后分析了"嫦娥二号"平动点飞行试验以及小行星探测试验的测定轨能力。这些技术不仅在月球探测工程中起到关键作用,对我国后续深空探测也有很好的借鉴意义。     

太阳辐射对ER3BP拉格朗日点的影响

为了研究Halo轨道中继通信以及行星际轨道转移等问题,需要首先对拉格朗日点(平动点)的理论进行分析。使用考虑太阳辐射的椭圆型限制性三体建模,代替原有的圆型限制性三体建模,提高了建模的精度。提出了在L1,L2,L3点的更为精确的新解析解,经过Matlab仿真,其相对于精确数值解的误差,分别为Ammar的解析解的13.13%,29.51%,0.46%。     

基于中继测量的环月探测器定轨能力分析

嫦娥四号月球探测拟首次实现月球背面的软着陆,测控与数传依赖地月L2平动点的中继卫星,并有望获取四程测量与星间测量数据。对基于中继测量的环月探测器测定轨能力进行了仿真分析,结果表明,中继卫星可较好地实现环月探测器连续跟踪;在定轨能力方面,中继卫星自身轨道精度是制约环月探测器定轨精度的重要因素,当跟踪弧段达到5h以上时,定轨精度趋于稳定,但轨道精度较中继卫星的轨道精度相差1个量级;对于星间链路测量,除中继卫星自身的轨道精度外,星钟的稳定性是制约定轨精度的另一个重要因素,如果辅助以每天1h的地基跟踪亦可实现优于百m的定轨精度。     

Orbits for radiatively cooled space telescopes

This paper first outlines the assumed mission requirements for a radiatively cooled space telescope such as EDISON. A summary of relevant characteristics (payload, operating orbit, launcher, lifetime, etc.) for current and proposed cooled telescope missions is then given. This summary includes cryogenic and radiatively cooled missions since in both cases the reduction of heat input to the telescope aperture is a dominant factor in the orbit choice. These missions span the entire range of possibilities from low earth circular, through higher elliptical and circular orbits out to deep space locations such as the Sun-Earth (S-E) libration points and the lunar surface.A full listing of the factors affecting mission selection is then given. The most important points are illustrated by reference to the orbits chosen for ISO, FIRST and SIRTF and those recommended in recent studies of EDISON. Launcher capabilities for direct insertion and the onboard propellant for large velocity changes associated with orbit raising are major constraints in achieving the large payload mass to high orbit which EDISON mission requires. Although it is fairly demanding in launch/boost energy, an orbit about the L2 S-E libration point offers important advantages for a radiatively cooled infrared telescope. Further studies of this orbit and the associated aspects of service module and payload design for the L2 location of EDISON are recommended.     

Autonomous navigation to quasi-periodic orbits near translunar Ubration points

Libration-point missions have been very useful and successful. Due to the unstable natures of most of these orbits, the long-time stationkeeping demands frequent maneuvers and precise orbit determinations. Earth-based tracking will have to undertake much more responsibilities with the increasing number of libration missions. An autonomous navigation system could offer a better way to decrease the need for Earth-based tracking. Nevertheless, when an autonomous navigation system is applied, there are three important factors affecting autonomous navigation accuracy, i.e., the accuracy of initial conditions, the accuracy of measurements, and the accuracy of onboard dynamics for propagation. This paper focuses on analyzing the influence from the third factor and finding an appropriate navigation dynamics, which can satisfy the requirement of estimation accuracy but not cause too much burden for onboard computation. When considering the restricted three-body model and the bicircular restricted four-body model as navigation dynamics, the astrin- gency is not shown during the simulations. Meanwhile, when considering the influences of the Sun＇s direct and indirect perturbations and the eccentricity of the Moon＇s orbit, a new navigation dynamic model with the standard ephemerides is proposed. The simulation shows the feasibility of the proposed model.     

深空探测器运行轨道的基本性态

要成功地发射一个深空探测器进入目标轨道,相应的运行过程基本上涉及3个阶段:近地停泊轨道运行段、转移轨道的过渡段和进入目标天体的绕飞段。它们各自的运行状态和相应的数学模型有所差别,特别是转移轨道段的运行特征与绕飞段的卫星轨道的典型特征之间的重大差别,在深空探测任务中受到广泛的重视,如平动点利用中的晕(Halo)轨道和引力加速的节能过渡等。然而,就太阳系而言,这些不同轨道之间有一共同的基本性态,那就是都可以用在牛顿万有引力定律制约下的开普勒轨道(或变化的开普勒轨道)来刻画。本文将针对上述不同运行段轨道对应的数学模型、研究方法和结果,结合我们所做的工作进行综述。     

火星探测器飞行轨道设计

在一些基本假设的基础上,初步设计了从地球停泊轨道发射探测器到达火星的飞行轨道。运用圆锥曲线拼接法,设计了采用双共切和单共切两种不同的日心段转移方式时,探测器日心段、地心段和火星中心段的飞行轨道,并分析比较了这两种设计方法的特点。根据限制性二体问题动力学模型,仿真计算了探测器在不同轨道段的飞行轨迹,结果表明,探测器可以按照所设计的轨道飞行到达火星,并被其捕获,成为环绕火星飞行的卫星。     

Investigating suitable orbits for the Swarm constellation mission – The frozen orbit

This paper proposes a suitable orbit design for the lower pair of ESA's Swarm constellation mission, flying side-by-side in near-polar and circular orbits with a separation of only 1.4° at ascending node. Both orbits are suggested to be frozen orbits to minimize the evolution, and an along-track separation strategy is applied to avoid collision risk. The characteristics of the proposed orbit type are examined through numerical techniques including high-fidelity perturbation models. The prime change from the initial configuration is an along-track separation. The perturbations causing the along-track drift are analyzed by switching on/off certain perturbations. The results indicate that the tesseral harmonics and the atmospheric drag yield dominant effects. The atmospheric drag effect shows a dependence on the local time of the ascending node. From two months of orbit propagation for the altitude 300 km the maximum along-track drift we obtain is about 80 km, which is still within the measurement requirement range. Several maneuver strategies for maintaining the proposed orbit design are suggested. The results analyzed for the proposed orbit design show that collision risk can be avoided by along-track separation within the frozen orbit design. Consequently, this combination is considered as a suitable approach for Swarm's lower pair.