日晕轨道卫星的转移轨道中途修正研究

由于平动点任务探测器对各种误差源和摄动因素的敏感性,因此必须考虑转移轨道的中途修正问题.以晕轨道近地点入轨的转移轨道为例,进行了初始发射误差的灵敏度分析,提出了三脉冲和四脉冲两种中途修正方案,并且讨论了转移轨道初始误差、导航误差、机动执行误差等误差源和地球摄动、月球摄动、太阳光压摄动等摄动因素对转移轨道修正代价和修正效果的影响.仿真得到了修正时刻和误差量与修正量之间的关系,Monte Carlo仿真结果表明给出的两种修正方案是可行的.     

地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析

以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景，针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题，开展了化学 电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先，讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明，在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后，以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格，得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道，构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算，电推进段采用混合法优化。最后，以燃料消耗和转移时间为指标，在搜索域内开展解算分析，研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集，拓宽了解空间，可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。     

基于三体系统平动点轨道的环日全景任务轨道设计

在空间开展太阳观测是研究太阳活动周、太阳爆发、极端天气等事件起源的重要手段。环日全景探测计划是为实现从黄道面360°全方位观察太阳行星际空间而提出的。本文针对环日全景探测计划,构建了基于三体系统平动点低能量轨道的环日全景轨道部署方法。该方法以日–地L1/L2点Halo轨道幅值及Halo轨道离轨点为变量,以转移轨道飞行时间、入轨机动大小为评价指标,基于三体系统不变流形构建环日全景的转移轨道,并开展轨道优化设计。采用等高线图对设计变量及任务成本进行全局分析。仿真计算表明,轨道部署无法同时满足飞行时间最短与入轨机动最小的要求。设计了轨道机动约束条件下的最优飞行时间解,并给出了基于长三甲运载火箭的一箭双星发射及入轨方案。      

连续小推力条件下星座轨道机动方法研究

基于连续小推力条件下星座轨道机动的动力学特性分析，研究了其入轨的布局置入和离轨机动方法。地球轨道上的大型星座数量巨大，传统的轨迹优化方法较难应用。针对多星入轨的星座布局置入任务，求解了分时序抬轨的相位调整问题，并在轨道抬升过程中，利用轨道倾角偏置补偿升交点赤经漂移。针对星座中卫星的离轨任务，设计了半长轴和偏心率的联合调整方法。在保证卫星快速离轨的同时，能够有效减少燃料的消耗。考虑到连续小推力机动的弧段效应，控制策略需要围绕控制效应的曲线积分进行优化。     

遗传算法在编队卫星群轨道机动中的应用分析

卫星群机动是航天器发展的一个方向.针对编队卫星群的Lambert机动问题,采用Gim-Alfriend矩阵建立了包含中心轨道根数和摄动项的群卫星的相对运动模型,设计了转移轨道上的卫星群队形协同保持的脉冲控制策略.应用遗传算法对编队卫星群轨道机动问题进行了优化,优化指标分别为卫星群协同变轨过程中总燃料消耗最少或燃料均衡分配最小.分析了群机动过程中燃料消耗的影响因素.算例结果表明遗传算法可以很好地应用于编队卫星群机动问题.     

火卫一周期准卫星轨道及入轨分析

围绕火卫一的准卫星轨道（QSOs）因其具有良好的稳定性，是火卫一探测任务最为实用的轨道。在平面圆型限制性三体问题模型下，利用庞加莱截面和KAM环迭代方法探究了准卫星轨道的周期轨道族，并给出不同能量准卫星周期轨道的初始条件。针对火卫一周期准卫星轨道入轨，提出一种转移轨道设计方法:对准卫星周期轨道调整速度后进行反向积分，直至离开火卫一邻近区域，从而得到由火星环绕轨道向火卫一周期准卫星轨道的转移轨道，并调整转移轨道参数对燃料与时间消耗进行优化。研究结果表明，当周期准卫星轨道能量处于特定区间时，存在特定速度脉冲区间，可利用火卫一引力实现较少燃料消耗的轨道转移；在该速度脉冲区间中，通过选取较小的速度脉冲，可缩短转移时间。      

气动力辅助椭圆轨道转移技术研究

研究了两种共面椭圆轨道最优转移方法--基于单纯推力的双脉冲对称转移和基于气动力辅助变轨技术的协同机动方法。推导了双脉冲对称转移问题中转移椭圆轨道的求解公式,采用遗传算法求解最优变轨点位置,给出了变轨脉冲的计算方法。将气动力辅助对称转移过程分为3段：真空飞行段、大气飞行段、真空飞行段。以能量最小为性能指标,将大气飞行段轨迹优化问题转化为标准最优控制问题模型,并利用Gauss伪谱法进行求解,得到“巡航+滑行+巡航+滑行”的大气最优飞行轨迹。最后对两种转移方法进行详细比较,指出初始椭圆轨道近地点越接近大气层,气动力辅助对称转移方法比双脉冲对称转移方法越节省能量。     

地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

位于地月L2点周期轨道的中继星将首次为"嫦娥4号"月球背面着陆探测任务提供通信中继服务。中继星转移轨道设计是中继任务实施的关键环节。针对中继星转移轨道存在转移时间、近月点高度和halo轨道振幅等约束条件,系统研究了基于月球近旁的地月L2点转移轨道设计方法。首先基于限制性三体模型,分析了halo轨道族与着陆点可见性关系;然后将月球近旁转移轨道分为地月直接转移段和地月动平衡点附近周期轨道拟流形入轨转移段,采用带有状态约束的微分修正算法对这两段轨道进行拼接,得到了从地球附近至目标轨道族的月球近旁转移轨道;最后,针对南族halo轨道分析了halo轨道振幅和月球飞越高度对转移轨道设计的影响,以及转移轨道的入轨相位分布。仿真结果表明:月球近旁转移轨道设计方案具备工程上的可行性与优越性。该方案可以为实际工程任务和应用提供参考。     

基于间接法在线能力评估和自主规划技术研究

针对运载火箭推力故障条件下的自主救援任务，研究了一种基于间接法的在线能力评估和自主规划方法。构建了以入轨点能量最大为最优性能指标的最优控制问题。通过数值方法探讨了在满足轨道倾角和入轨点路径角约束条件下，入轨点速度、远地点和近地点跟入轨高度之间的关系，设计了一种与入轨高度相关的特征量来对入轨能力进行评估。以近地点最高为救援轨道选取准则，结合能力评估，研究了一种自主在线规划策略，当判断能够进入圆轨道时，割线法求解最大圆轨道，否则采用牛顿法求解近地点最高的椭圆轨道。仿真结果表明，提出的自主规划方法在有效性、收敛性和实时性上均能满足在线制导需求。     

平动点任务转移轨道中途修正研究

平动点在深空探测中具有重要作用. 由于发射中不可避免地会存在误差, 平动点卫星往往需要考虑转移轨道的中途修正. 本文从工程实用角度出发, 根据以往平动点任务的中途修正经验, 确定中途修正序列,综合以往文献对误差的处理, 给出了误差的分布参数; 将转移轨道中途修正问题转化为转移轨道设计问题, 使用微分修正算法求解转移轨道中途修正问题; 利用蒙特卡洛模拟给出统计性数据. 仿真结果验证了方法的有效性. 对于日地系 110天类型的转移轨道, 在95 %的置信水平下, 只需要78.0 m/s的机动速度, 即可以保证位置误差在66.1 km之内.      

低成本多小天体并行交会技术

小天体资源开发方兴未艾,为降低开发风险和成本,需要发射无人探测器交会观测多个待选目标小天体。传统多目标探测方案存在无法多次交会、成本高,周期长等不足。提出的低成本多小天体并行交会技术,能够对多小天体探测任务进行解耦,实现基于微纳飞行器的低成本多目标并行交会勘查,从而降低探测成本,缩短探测周期。该技术结合行星借力与不变流形机制构建了低能量星际转移方案。然后引入扰动流形思想,使微纳飞行器能够实现与目标小天体的快速交会。进一步,提出了一种多目标小天体探测全局搜索方法,该方法基于在日地halo轨道上停泊的微纳飞行器集群,逐次确定小天体探测目标,并利用上述方法完成了多微纳飞行器与多小天体的交会。数值仿真结果表明,该方案能够大幅度降低转移过程的燃料消耗,并缩短转移时间。     

Phasing with near rectilinear Halo orbits: Design and comparison

In the next future, space agencies are planning to return to the Moon. The objective is to assemble an orbiting space station, called Gateway, on a Near Rectilinear Halo Orbit around the Moon as a base for future Moon and deep space missions. Within this framework, multiple side missions will be planned to sustain the Gateway (Artemis mission). The proposed work is thought in framework of the preliminary design of future cargo missions, in particular on the design of an efficient phasing trajectory, under the Circular Restricted Three body problem hypotheses, to bring a cargo vehicle from the end of the Earth-Moon transfer to the beginning of the proximity operations such as rendezvous and docking with the space station. The work aims covering the lack of literature in phasing trajectories with the NRHO by proposing three different strategies to connect the Earth-Moon transfer trajectory with the proximity operations. The three strategies are classified based on the choice of the parking orbits or the choice of the manifolds. Two strategies use butterfly and Halo orbits to park the vehicle before transferring to the target orbit. The third strategy, instead, uses manifolds to allow a direct phasing. In the paper, the three innovative strategies are designed and compare in a specific scenario.     

日地平动点卫星两脉冲转移轨道设计

研究基于最小二乘微分修正方法的平动点卫星两脉冲转移轨道设计,推导了考虑高度和航迹角约束的微分修正公式,讨论了该方法的收敛性.以日地L₁点附近的Halo轨道为目标轨道,在圆型限制性三体问题模型下设计了其转移轨道,系统地研究了HOI(Halo Orbit Insertion)点和Halo轨道幅值对转移轨道的影响,给出了HOI点的选择策略,并讨论了应急情况下快速转移轨道设计.数值仿真验证了方法的有效性,选择Halo轨道靠近地球侧的点作HOI点可以获得飞行时间适中的转移轨道.     

基于Lyapunov最优反馈控制的月球中继卫星转移轨道设计

摘要： 随着电推进器及小推力转移变轨的研究逐渐深入,在深空探测领域应用电推力器是必然的发展趋势.文章基于以月球中继卫星的运行轨道地月L2点Halo轨道为目标轨道的轨道转移任务,采用Lyapunov最优反馈控制方法,计算单一轨道根数的局部最优控制率,通过遗传算法调整五个轨道根数的权重,得到时间最优的月球中继卫星小推力轨道转移方案,具有工程应用意义.     

基于电推进卫星飞往Halo轨道的转移轨道研究

利用电推进及轨道力学的特性实现节能优化,将限制性三体问题中的稳定不变流形与小推力轨道优化相结合,研究全电推进卫星从地球停泊轨道飞向日地拉格朗日L2点Halo轨道的低消耗转移轨道.航天器的转移轨道分为逃逸段、拼接段与无动力滑行段.在逃逸段卫星沿速度方向加速脱离地球引力,拼接段采用Radau伪谱法进行优化,使航天器以最短时间到达目标Halo轨道的稳定不变流形上,随后航天器电推进系统关机,沿稳定不变流形无动力滑行至目标轨道.基于雅克比积分常数给出拼接段轨道初始猜测值,以先提高切向方向航天器能量避免了全程优化离散点过多难以求解的问题.仿真结果表明,该方法收敛速度较快,对平动点工程任务的初期轨道特性计算具有实际意义.      

高精度模型下Halo轨道设计研究

针对未来地月L2点Halo轨道空间站长期停泊任务,研究了高精度模型下Halo轨道设计方法。首先,详细推导了圆型限制性三体问题(Circular Restricted Three Body Problem,CR3BP)质心会合坐标系与高精度模型地心J2000坐标系之间的转换关系,并在此基础上,将CR3BP下的闭合Halo轨道转换到地心J2000坐标系得到了高精度模型下Halo轨道迭代初值。其次,采用序列二次规划(Sequence Quadratic Program,SQP)构造多层迭代格式,在高精度模型下对初值进行逐层修正。最后,通过仿真测试,验证了该方法的可行性与有效性。该研究结果可为未来平动点任务标称轨道设计方案的制定提供参考。     

考虑月球升交点黄经的地月低能转移轨道

地月转移轨道研究的基本模型主要是限制性二体模型和限制性三体模型。在限制性三体建模下,基于轨道分类理论的地月脉冲变轨比传统的霍曼变轨节省了更多的燃料(至少13%以上)。单独的"地球-月球-飞行器"的限制性三体问题无法应用轨道分类的理论进行轨道设计,必须加入太阳。文章考虑了月球升交点赤经、黄白交角,以及正确的地月系统稳定流形的方向,整个"太阳-地球-月球-飞行器"系统拆分为"地球-月球-飞行器"的平面圆型限制性三体问题,和"太阳-地球-飞行器"三维圆型限制性三体问题进行分析,并利用Matlab仿真验证了方案的可行性。     

日地系L2点与日火系L1点转移轨道设计

将太阳-地球-火星-飞行器组成的四体问题分解成由太阳-地球-飞行器和太阳-火星-飞行器两个共面圆形限制性三体问题,设计日地系L2点与日火系L1点Lyapunov轨道之间的转移轨道,该转移轨道可以作为探测火星时的低能中间转移轨道.采用Richardson三阶近似解作为初始值,运用微分修正方法分别得到两个不同三体系统下拉格朗日点的精确Lyapunov轨道.基于Lyapunov轨道不变流形以及微分修正方法,设计了日地系L2点与日火系L1点间的转移轨道.将所得结果与基于Halo轨道不变流形设计的转移轨道进行了对比.结论表明:利用Lyapunov轨道不变形设计探火中间转移轨道相较于利用Halo轨道不变流形设计探火中间转移轨道在能量消耗以及飞行时间上都存在优势.     

全星历模型下拟Halo轨道设计

本文给出了全星历模型下适用于地月系统和日地系统的拟Halo轨道的设计方法。设计过程以限制三体模型下Halo轨道作为初值并以多点并行打靶法求解全星历模型下拟Halo轨道。采用多点并行打靶法中给出了一类新的可行约束条件,在数值仿真算例中,地月和日地系统L2点附近4圈目标拟Halo轨道均在分钟量级时间内收敛,表明了算法的有效性。