地月空间DRO与HEO(3∶1/2∶1)共振轨道延拓求解及其稳定性分析

针对地月空间共振轨道延拓求解及稳定性分析问题,首先从远离与接近月球的地心开普勒共振轨道(月球公转周期与轨道周期符合1∶1、2∶1与3∶1的比例关系)得到圆形限制性三体模型中的两组轨道初值,然后通过增大与减小"近地点距"的延拓方法得到圆形限制性三体周期轨道族。研究发现:逆行绕月的远距逆向轨道(DRO)可由1∶1开普勒共振轨道延拓得到,延拓过程中轨道共振比从1∶1逐渐演变为2∶1与3∶1,并展现出明显的非开普勒轨道特性;另外,一类大偏心轨道(HEO)通过2∶1与3∶1地心开普勒共振轨道的延拓得到,但仍可看作受摄的开普勒轨道。采用周期轨道Monodromy矩阵的特征值分析了DRO和HEO的稳定性,同时描述了各自轨道运动特点,可为相关的空间应用任务设计提供理论依据。与此同时,澄清了不同参考模型中"共振比"的概念以及同一共振比可能对应不同类型共振轨道的现象。     

高超声速临近空间飞行器非开普勒轨道研究

以高超声速临近空间飞行器非开普勒轨道弹跳飞行为研究对象,论证了高超声速临近空间飞行器飞行轨道属于非开普勒轨道的研究范畴.首先给出了非开普勒轨道机动巡航段、再人段和再入瞬间的动力学方程;其次研究了再入瞬间高超声速临近空间飞行器的位置矢量求解问题,提出弹跳系数的概念;最后进行了仿真分析.仿真结果表明,非开普勒轨道动力学方程...     

地球非球形对卫星轨道的长期影响及补偿研究

首先建立了地球非球形引力摄动模型,通过对地球非球形引力摄动对卫星轨道的长期影响分析发现,地球非球形引力摄动对卫星轨道升交点赤经和沿迹角的漂移量与时间成近似线性关系;然后推导了通过主动偏置半长轴和倾角的方法来补偿摄动长期影响的计算公式,设计了基于仿真的地球非球形引力摄动补偿方法;最后对GlobalStar星座卫星进行仿真与试验.结果表明,设计的补偿方法是可行的,摄动补偿后在地球非球形引力摄动作用下卫星轨道的长期稳定性得到了很好的保持.     

高轨卫星的轨道寿命

地球,月球和各大行星的卫星（自然卫星或人造航天器）运动,基本上可处理成考虑主星扁率的限制性三体问题,对于绕主星m1(作为中心天体）运动的高轨卫星,摄动源即主星m1的扁率（非球形引力修正项J2）和另一主星m2的引力（亦称第三体引力摄动）。这类卫星的轨道寿命主要取决于主星m1扁率的大小,卫星的高度和相对主星m1赤道面的轨道倾角,对于高轨卫星,当倾角较大时,轨道寿命将不会很长,由于第三体的引力摄动,轨道偏心率有变幅较大的长周期变化,在运动过程中,其值将会大到使得轨道的近星距rp=a(1-e)≤a,卫星落到主星m1,这里a是主星m1的赤道半径 。     

简单二体引力模型用于空间目标轨道面交线确定的效果分析

在空间目标碰撞预警分析中，准确地计算出空间目标的轨道面交线是进行地心距筛选、时间差筛选的前提，目前较多使用的快速确定轨道面交线的方法为简单二体引力模型。深入分析该模型，比较了其计算的空间目标轨道面交线与STK计算结果的差异，指出了简单二体引力模型在计算空间目标轨道面交线时的局限性，认为轨道摄动是影响轨道面交线计算准确性的主要原因，应该采用更能反映空间目标实际运动规律的改进的二体引力模型的方法。     

绕飞慢自旋小天体的航天器运动分析

针对可以用三轴椭球体近似建模的小天体,给出了非球形引力势函数,建立了航天器绕飞小天体的轨道动力学方程。利用Jacobi积分常数绘制了探测器在小天体周围的零速度曲线,并分析了探测器的可能运动区域,给出了航天器不碰撞小天体的边界条件。针对绕飞慢自旋小天体的情况,基于平均轨道根数的近似解分析了小天体扁率和椭率的摄动影响,并给出了几条冻结轨道及其稳定条件。     

环火探测器非球形引力摄动运动的频率分析方法

环火探测器的摄动分析解对于分析探测器轨道运动规律以及星载计算具有比较重要的意义。针对火星非球形引力摄动影响下环火探测器的运动,采用频率分析方法,对环火探测器轨道运动进行仿真,得到了与KAM理论一致的结果,在火星非球形引力摄动作用下的环火探测器轨道位于一个不变环面,可由3个角变量的频率描述。利用该方法,采用数值方法构建轨道运动的分析表达式,通过与数值积分结果的比对,证明该分析表达式具有较好的精度,适合长时间的轨道外推,可以满足航天任务的星载应用需求。该方法不仅可以给出环火探测器在任意时刻的轨道状态量,同时可以较高精度地确定3个角变量的变化率,反映一定的轨道变化规律。     

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。     

空天飞行器弹道/轨道一体化设计

弹道/轨道一体化设计是解决空天飞行器发射入轨和轨道转移问题的一种全新思路。针对目前存在的空天飞行器弹道/轨道一体化设计问题,通过改进非开普勒轨道方程的方法建立飞行器在连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种力作用下的弹道/轨道一体化设计动力学模型;提出基于轨道设计反方法的弹道/轨道一体化设计方法。其创新点主要体现在：通过整合连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种作用力达到了统一弹道/轨道模型的目的;提出了基于傅里叶级数形状方法的轨道设计方法,该方法相比于之前的逆多项式法,可以处理带推力约束的轨道设计问题;由于在弹道段采用类似于轨道设计反方法的设计思想设计弹道,使得弹道和轨道两段轨迹的设计方法也达到了统一,致使从模型和设计方法的角度都体现了弹道/轨道设计的统一性,解决了传统分段设计方法是在不同段采用不同的模型和方法,很难体现出一体化设计思想的问题。仿真分析表明本文提出的弹道/轨道一体化设计方法是可行和有效的。     

参考系选择对Kepler广播星历参数拟合精度的影响

通过对MEO、IGSO、GEO三类导航卫星广播星历的开普勒轨道根数拟合方法及其拟合精度的分析研究,得出结论:开普勒轨道根数拟合导航卫星广播星历的方法,能很好吸收坐标变换过程中岁差、章动、极移、地球自转等因素对卫星星历拟合精度的影响。     

面内轨道转移过程中的绳系系统摆振特性研究

轨道转移过程中的绳系系统处于非开普勒轨道,导致系统呈现复杂的动力学行为并影响着星体的飞行安全,因此研究系统摆振特性具有重要的理论和实际意义。针对复杂的非线性和强耦合问题,利用动量矩定理建立绳系系统姿态动力学方程,以切向常值加速度轨道转移为任务背景,给出了系统质心运动轨迹;通过分析面内摆角的静态分岔现象,推导了面内、面外摆角的一阶摆动解析解;引入经典的珠点模型,研究系绳纵向和横向的振动特性,并分析了系绳摆动与系绳振动之间的耦合关系。仿真结果表明:面内轨道转移过程中,面内、面外摆角以固定的频率绕平衡位置做往返摆动,摆动频率大小以及平衡位置的变化均与系绳长度、推力加速度和所处轨道密切相关,面内摆角摆动频率接近轨道角频率时会引起共振现象,系绳在轨道转移过程中会出现大幅度横向振动等现象。     

混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制

针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。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,应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先,采用圆形限制性三体问题(CRTBP)模型推导了混合小推力航天器日心悬浮轨道动力学方程;然后,考虑系统模型不确定性和外部扰动,提出了一种基于扰动估计和补偿的轨道保持控制方法;最后,数值仿真表明存在系统模型不确定性、初始入轨误差及地球轨道偏心率扰动等因素的情况下,所设计的控制器仅需很小的速度增量即可实现高精度的日心悬浮轨道保持控制。     

Orbital maneuver strategy design based on piecewise linear optimization for spacecraft soft landing on irregular asteroids

Recently, asteroid exploration becomes an important branch of human’s deep space activities. In this paper, a piecewise linear optimal orbital maneuver strategy is designed for a spacecraft soft landing on irregular-shaped asteroids. First, the space around an irregular asteroid is converted into several grid units, and the gravitational field of the asteroid is linearly fitted in each unit. Then, the soft-landing orbital maneuver strategy design problem is formulated as a piecewise linear optimal problem, and further transferred into a family of two-point boundary value problems, which can be solved using collocation method. Finally, a corresponding algorithm is developed to obtain the piecewise linear optimal maneuver strategy, which is proved to be able to achieve the soft-landing mission well. Simulation results show that the error of the model linearization is small enough, while the calculation efficiency is remarkably improved, and the robustness of maneuver strategy is also improved.     

重力姿轨耦合效应引起的太阳能电站轨道共振

以任意相控阵天线式空间太阳能电站为研究对象,主要研究了其在轨运行过程中受到的重力姿轨耦合效应对其轨道运动的影响。首先,通过Hamilton原理建立起考虑重力姿轨耦合效应时的姿态运动和轨道运动的方程。其中,任意相控阵天线式空间太阳能电站被简化成刚体,它的重力势能以其结构尺寸和其轨道半径的比值为小量进行泰勒展开,并保留至二阶项。之后,采用解析的方法对方程进行分析,并发现当电站的姿态运动满足一定条件时,其轨道运动将会出现共振现象。此外,重力姿轨耦合效应还会引起空间太阳能电站轨道运动长期的漂移,通过选择合适的轨道运动初始条件可以消除漂移;而且,在一定条件下,重力姿轨耦合效应还会引起轨道运动的发散。最后,数值仿真结果验证了分析的正确性。     

椭圆三体问题下月球L2低能逃逸轨道设计

针对圆形限制性三体问题下求解月球探测器逃逸轨道时,不能充分利用月球椭圆公转动力学特性节约逃逸能量的问题,对动力学模型进行拓展,在椭圆三体问题下建立月球探测器轨道动力学方程与能量表达式。首先通过理论推导,求解了探测器逃逸所需的发射能量与逃逸过程中的轨道能量随月地椭圆相对运动状态的数学表达式,对其进行分析发现,同一环月轨道上出发的逃逸探测器所需发射能量与地月距离呈正相关,而逃逸过程中探测器轨道能量变化与地月相向运动速度呈正相关,从而得出在月球接近其近地点过程中发射逃逸探测器可以最大限度节约发射能量的结论。在此基础上,引入庞加莱截面法设计探测器最低能量逃逸轨道。通过寻找使逃逸轨道所在不变流形的庞加莱截面收缩为一点的发射位置与能量,求解不同地月相位下的逃逸轨道能量需求,进而迭代求解能量最优逃逸轨道。最终,通过对比仿真结果得到,月球真近角为283°时发射逃逸探测器将最节约能量,与理论推导的结果相吻合。相对于圆形限制性三体问题下推导的最低逃逸能量,采用椭圆三体模型设计的低能量逃逸轨道可以节约8%左右的发射能量,对于深空探测等任务来说具有明显优势。     

Two-maneuver indirect contingency return from a low lunar orbit

The problem of contingency return from the low lunar orbit is studied. A novel two-maneuver indirect return strategy is proposed. By effectively using the Earth’s gravity to change the orbital plane of the transfer orbit, the second maneuver in the well-known three-maneuver return strategy can be removed, so the total delta-v is reduced. Compared with the single-maneuver direct return, our strategy has the advantage in that the re-entry epoch for the minimum delta-v cost can be advanced in time, with a minimum delta-v value similar to that of the direct return. The most obvious difference between our strategy and the traditional single- or multiple- maneuver strategies is that the complete transfer orbit is a patch between a two-body conic orbit and a three-body orbit instead of two conic orbits. Our strategy can serve as a useful option for contingency return from a low lunar orbit, especially when the delta-v constraint is stringent for a direct return and the contingency epoch is far away from the return window.     

OSIRIS-REx Flight Dynamics and Navigation Design

OSIRIS-REx is the first NASA mission to return a sample of an asteroid to Earth. Navigation and flight dynamics for the mission to acquire and return a sample of asteroid 101955 Bennu establish many firsts for space exploration. These include relatively small orbital maneuvers that are precise to ～1 mm/s, close-up operations in a captured orbit about an asteroid that is small in size and mass, and planning and orbit phasing to revisit the same spot on Bennu in similar lighting conditions. After preliminary surveys and close approach flyovers of Bennu, the sample site will be scientifically characterized and selected. A robotic shock-absorbing arm with an attached sample collection head mounted on the main spacecraft bus acquires the sample, requiring navigation to Bennu’s surface. A touch-and-go sample acquisition maneuver will result in the retrieval of at least 60 grams of regolith, and up to several kilograms. The flight activity concludes with a return cruise to Earth and delivery of the sample return capsule (SRC) for landing and sample recovery at the Utah Test and Training Range (UTTR).     

大范围收敛的摄动Lambert问题新型解法:拟线性化-局部变分迭代法

研究实时、高效、稳定性强的高性能空间轨道计算方法对于中国未来航天工程具有重大应用价值。针对强非线性系统的多维两点边值问题,提出了一种拟线性化-局部变分迭代法（QL-LVIM）,通过拟线性化（QL）思想,将非线性两点边值问题转化为一系列具有一定迭代格式,并且成对出现的初值问题,进而通过局部变分迭代法（LVIM）对其进行求解。利用拟线性化的大范围收敛特性和局部变分迭代法的快收敛、高精度特性,该方法能够在较大的时间和空间尺度下快速精确获得摄动Lambert问题的初速度和转移轨道,其收敛域远大于传统的牛顿打靶法,为航天器轨道转移提供了一种简便高效、稳定性强的新型计算方法。在不同轨道情形下,与几类参考方法对比,结果表明本方法能够在计算效率方面实现大幅提升,并且能够在大范围内实现快速收敛。方法的有效性在地-月系三体问题中得到了进一步验证。