基于STK的月球探测任务分析、设计与验证方法

为了减少月球探测任务设计阶段的开发成本、提高研究效率,提出利用成熟软件卫星工具包(Satellite tool kit,STK)进行分析、设计及验证的一般途径。首先,讨论基于微分改正的月球探测器轨道设计方法。然后,分析利用STK验证圆锥曲线拼接法设计结果的问题及注意事项。最后,针对STK中月面点、月球车运动设置不灵活等问题,利用外部文件导入方式进行分析、验证;在此基础上,给出月面点光照和测控条件分析方法。仿真结果表明,所提出的方法可以有效实现STK对月球探测任务的分析、设计及验证。     

多约束条件下月球南极探测返回窗口设计

针对月球南极探测任务,综合考虑中国地基深空测控系统现状、月球南极地区光照及地球再入终端等约束条件,利用月球反垂点概念,提出一种从环月轨道出发的三级返回窗口搜索策略.其次,提出一种改进多圆锥截线法,将月球非球形摄动加入到区间的轨道外推中,基于二级返回窗口对返回轨道进行了初步设计.给出以月球南极地区Shackleton撞击坑边缘一点为假定落点,于2020年自月球南极地区返回的仿真算例.仿真结果表明：一方面,窗口搜索方法可以有效解决多约束条件下的月球南极返回窗口设计问题;另一方面,改进多圆锥截线法作为一种初始轨道设计方法,可以有效减少再入误差,同时为后续高精度轨道积分提供良好初值.     

精确动力学模型下的火星探测轨道设计

首先在二体意义下采用粒子群优化算法（PSO）求解Lambert问题,确定发射窗口和二体地火转移轨道。使用圆锥曲线拼接法设计地心停泊轨道、逃逸轨道,并作为轨道精确设计的初值,以建立在火星的B平面参数和地火转移时间为约束,在精确动力学模型下进行微分迭代修正,最终得到满足约束的精确轨道。将设计轨道在STK软件中仿真,结果吻合。     

月球精确软着陆李雅普诺夫稳定制导律

为实现在月球表面期望的着陆点进行精确软着陆,以月球精确软着陆三维球体非线性轨道动力学模型为基础,采用李雅普诺夫直接法,构造了基于能量的李雅普诺夫函数,设计了跟踪收敛滑动模态的精确制导律,并通过李雅普诺夫稳定性理论证明了该制导控制律的全局指数稳定性,给出矢量推力实现方法.仿真表明,该制导方法能够满足月球精确软着陆的需要.     

基于B平面的火星探测直接转移轨道设计方法

将轨道设计转化为常微分方程两点边值(TPBVP)问题,采用微分修正法求解该边值问题.将B平面概念同时应用于地球和火星,借助B平面与双曲线轨道的几何关系解析地给出了两点边值问题的边界条件的建立方法,理论上说明了火星探测直接转移轨道存在4组解的原因,同时提出了控制探测器到达相对火星双曲线轨道近火点时刻的准确参数表示方法.最终给出仿真算例,将轨道设计结果代入STK,结果合理.     

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。     

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.     

月球垂直软着陆轨道初步设计

采用圆锥曲线拼接法,建立了月球垂直着陆的数学模型;推导了地月转移轨道和一些重要参数的初步设计和计算方法。通过仿真,给出了理想情况下和考虑推力大小时月球垂直着陆轨道运动特性。对运动特性的分析结果可为轨道初步设计提供一定的参考。     

火星探测直接转移轨道精确求解研究

针对火星探测直接转移轨道精确求解问题, 提出了一种快速微分修正算法. 基于二体模型建立控制参数和目标参数偏差关系的数学模型, 并由此求解系统的偏导数矩阵; 采用B平面参数作为中间变量, 对算法进行两层迭代设计, 有效地减少了求解过程中的积分运算次数. 以2018年火星探测机会为例对算法进行了验证, 仿真结果表明, 利用圆锥曲线拼接法得到的轨道初值, 求解一条标准轨道只需6~9次积分迭代. 通过STK对计算结果进行了对比和验证.      

月球着陆器软着陆冲击仿真

为提高分析月球着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应的准确性,提出一种基于瞬态动力学的着陆器有效载荷软着陆冲击响应分析方法.根据着陆器全机结构柔性和月壤柔性对有效载荷着陆冲击响应的影响,参照某型着陆器,于MSC.PATRAN环境中建立着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型,运用瞬态动力学仿真软件MSC.DYTRAN对着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应特性进行了仿真研究.仿真结果与试验结果具有一定的一致性.研究结果表明:使用该方法分析着陆器软着陆有效载荷的着陆冲击响应是准确有效的,能够比较逼真地模拟月球着陆器实际着陆工况.     

基于伪光谱方法月球软着陆轨道快速优化设计

根据软着陆轨道的特征和优化算法的特点,对探月器软着陆轨道状态方程进行合理的转化处理,使其更适合优化数值解法求解。在此基础上,使用伪光谱方法将软着陆轨道优化问题转为一个约束参数优化问题,然后采用乘子法处理约束条件,采用变尺度法求解处理后的参数优化问题,仿真结果表明此方法具有收敛速度快、对初始控制量不敏感、鲁棒性强的优点。     

CAS-1 lunar soil simulant

Lunar soil simulant is a geochemical reproduction of lunar regolith, and is needed for lunar science and engineering researches. This paper describes a new lunar soil simulant, CAS-1, prepared by the Chinese Academy of Sciences, to support lunar orbiter, soft-landing mission and sample return missions of China’s Lunar Exploration Program, which is scheduled for 2004–2020. Such simulants should match the samples returned from the Moon, all collected from the lunar regolith rather than outcrops. The average mineral and chemical composition of lunar soil sample returned from the Apollo 14 mission, which landed on the Fra Mauro Formation, is chosen as the model for the CAS-1 simulant. Source material for this simulant was a low-Ti basaltic scoria dated at 1600 years from the late Quaternary volcanic area in the Changbai Mountains of northeast China. The main minerals of this rock are pyroxene, olivine, and minor plagioclase, and about 20–40% modal glass. The scoria was analyzed by XRF and found to be chemically similar to Apollo 14 lunar sample 14163. It was crushed in an impact mill with a resulting median particle size 85.9 μm, similar to Apollo soils. Bulk density, shear resistance, complex permittivity, and reflectance spectra were also similar to Apollo 14 soil. We conclude that CAS-1 is an ideal lunar soil simulant for science and engineering research of future lunar exploration program.     

月球软着陆器动力学建模研究

建立准确、实用的月球着陆探测器动力学模型,是制导、导航和控制系统方案设计中的首要工作,文中月球软着陆探测器的推进剂贮箱采用横向对称分散布局的形式,并分析了布局方式对液体推进剂晃动的影响;将贮箱内液体考虑一阶弹簧质量模型,应用虚功率原理建立包含液体推进剂晃动的月球软着陆探测器从动力下降段至最终着陆段的动力学模型,并对动力学下降段进行了数值仿真,仿真结果可为月球软着陆探测器控制系统设计提供理论参考。     

MBSE发展趋势与中国探月工程并行协同论证

中国月球探测面临新发展态势,给月球探测任务的规划论证、总体设计、系统研制和在轨探测等提出了更高要求,当前基于模型的系统工程、并行工程等新方法及新手段受到广泛关注.本文从MBSE(基于模型的系统工程)流程、方法、工具及应用层面对MBSE的现状进行研究,分析其发展趋势.结合中国探月工程任务需求和面临的挑战,设计中国探月工程...     

月球探测器软着陆机构发展综述

综述了月球探测器软着陆机构的发展概况;分析了国际上月球探测器软着陆机构的结构组成、工作原理及特点。对不同展开机构和缓冲器特点进行了分析,预测了月球探测器软着陆机构的发展趋势。     

嫦娥三号巡视器有效载荷

嫦娥三号巡视器配置了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪四种科学探测有效载荷. 介绍了有效载荷的科学探测任务、系统设计方案和系统组成,描述了各有效载荷的方案设计要点,设计中的主要关注点及主要技术指标等.      

发动机羽流作用下的实时月尘运动仿真

月尘运动是月球探测器软着陆过程中不可或缺的重要环节,针对发动机羽流作用下月尘运动真实感不强和月尘颗粒运动模型过于简单的问题,提出了一种逼真的实时月尘运动仿真方法.通过计算流体动力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)和二次谢别德插值(Quadratic Shepard)方法,分析和计算单个月尘颗粒的运动学模型,得到一定初始条件下粒子运动的二维轨迹曲线;通过分析粒子的数量、初始位置、初始速度、生命周期等参数对粒子运动学的影响和变化规律,抽象出月尘系统的粒子集;建立基于月尘粒子集的月尘运动模型.实验结果显示:该运动模型逼真的模拟了发动机羽流作用下月尘腾起、飞溅、弥漫、消散等运动过程,视觉真实感和实时性能良好,对研究真空环境中的月尘运动及月球软着陆等相关领域具有一定的参考意义.目前该方法已应用于北航虚拟现实国家重点实验室月球软着陆仿真系统.     

Design and analysis of an extended mission of CE-2: From lunar orbit to Sun–Earth L2 region

Chang’E-2 (CE-2) has firstly successfully achieved the exploring mission from lunar orbit to Sun–Earth L2 region. In this paper, we discuss the design problem of transfer trajectory and at the same time analyze the visible segment of Tracking, Telemetry & Control (TT&C) system for this mission. Firstly, the four-body problem of Sun–Earth–Moon and Spacecraft can be decoupled in two different three-body problems (Sun–Earth + Moon Restricted Three-Body Problems (RTBPs) and Earth–Moon ephemeris model). Then, the transfer trajectory segments in different model are computed, respectively, and patched by Poincaré sections. The full-flight trajectory including transfer trajectory from lunar orbit to Sun–Earth L2 region and target Lissajous orbit is obtained by the differential correction method. Finally, the visibility of TT&C system at the key time is analyzed. Actual execution of CE-2 extended mission shows that the trajectory design of CE-2 mission is feasible.