三维引力辅助机理分析

针对星际探测中的引力辅助技术,通过引入两个参数,将平面椭圆型限制性三体模型拓展到三维椭圆型限制性三体模型.通过逆向与正向积分,得到引力辅助前后飞行器的能量和角动量,据此将引力辅助轨道划分为16种类型.深入讨论了这两个参数对轨道类型、轨道能量和轨道倾角的影响,总结出了相应的变化规律.以地月系统为例,针对不同任务要求,给出了通过月球引力辅助,实现地月系统俘获与逃逸的引力辅助参数的选择区域,并对引力辅助参数进行了优化.     

包含引力辅助变轨的三体Lambert问题求解算法

对包含引力辅助变轨的三体Lambert问题提出了一种数值求解算法,分为转移轨道初始设计和终值搜索两部分.采用伪状态理论,通过简单迭代求解高精度的转移轨道初始设计结果,在此基础之上,通过数值积分在更复杂的摄动环境中,计算精确的转移轨道和一二阶状态转移矩阵,并利用二阶微分修正算法搜索最终解.经过数值算例检验,这种方法具有较高的效率和鲁棒性,可以有效解决三体系统中引力辅助转移轨道的高敏感性问题.     

包含引力辅助变轨的三体Lambert问题求解算法

对包含引力辅助变轨的三体Lambert问题提出了一种数值求解算法,分为转移轨道初始设计和终值搜索两部分.采用伪状态理论,通过简单迭代求解高精度的转移轨道初始设计结果,在此基础之上,通过数值积分在更复杂的摄动环境中,计算精确的转移轨道和一二阶状态转移矩阵,并利用二阶微分修正算法搜索最终解.经过数值算例检验,这种方法具有较高的效率和鲁棒性,可以有效解决三体系统中引力辅助转移轨道的高敏感性问题.     

平面引力辅助中施加脉冲的最优位置

在引力辅助过程中施加脉冲可以改善变轨效果。虽然轨道设计中一般将施加脉冲的位置设置在轨道的近拱点,但是并没有研究表明近拱点是施加脉冲的最优位置。为了研究平面引力辅助中施加单次共面脉冲的最优位置,首先采用6个参数对变轨过程进行描述,其中3个参数表征平面引力辅助、2个参数表征脉冲的大小与方向、1个参数表征施加脉冲的位置。然后将航天器的状态向量表示成参数的函数,进而求出变轨之后航天器的能量变化。研究施加脉冲的位置对航天器能量的影响,结果表明最优位置一般并不是近拱点,在最优位置施加脉冲比在近拱点有时可高效20%以上。      

从日地系统L2出发借力月球飞越近地小行星

对于停留在日地系统L2的“嫦娥2号”探测器,其后续飞行方案有多个选项,例如主动撞月或重返月球轨道、返回地球轨道或再入大气、飞往地月系统L1/L2或日地系统L1、进入深空飞越近地小行星(最终,“嫦娥2号”于2012年12月13日成功地实现了对Toutatis小行星的近距离飞越)。探讨上述的飞行方案需要对飞行轨道进行初步设计,总的速度脉冲限制在100 m/s以内并且需要考虑探测器同时受到太阳、地球、月球的引力作用。本研究设计了探测器从日地系统L2出发借力月球实现Toutatis小行星飞越的飞行方案,与直接飞越方案相比,借力月球可以进一步节省探测器的燃料消耗,其等效速度脉冲设计值为58.47 m/s。     

基于GLONASS星历的预报轨道的误差分析

推导了协议地球坐标系下的卫星运动方程.通过分析由GLONASS(Global Navigation Satellite System)广播星历参数确定的卫星预报轨道的拟合精度,指出了摄动力模型的简化、积分器的选择,以及忽略了极移影响等因素是引起拟合误差的主要因素,其中摄动力模型的简化起最主要的作用.通过对卫星轨道运动方程积分30?min,可知由摄动力模型的简化、积分器和忽略极移影响等因素引起的拟合误差分别为0.827?m,0.224?m和0.025?m.要提高预报轨道拟合的精度,关键是要对摄动力简化特别是地球引力摄动高阶项的截断以及日月引力场简化造成的轨道预报精度损失加以控制.     

载人月球极地探测定点返回轨道设计

针对载人月球极地探测任务，对定点返回轨道优化设计问题进行了研究。根据月球极地轨道的特性，介绍了三种返回轨道机动方案。结合三脉冲变轨方案，采用了从初步计算到精确计算的串行求解策略，对定点返回轨道进行优化设计。初步计算阶段，建立了基于近月点伪参数的三段二体拼接模型，将三脉冲机动段与月球逃逸段解耦，求解轨道初值；精确计算阶段，提出了两段拼接方法，分别进行逆向和正向高精度数值积分。经过仿真测试，验证了该策略求解的有效性和准确性。最后，通过大量的仿真计算，分析了定点返回轨道的特性。研究结论对未来载人月球极地探测定点返回轨道方案的设计具有重要的参考价值。     

长周期高精度回归轨道与脉冲轨道控制策略设计

针对长周期回归轨道设计和维持问题，研究了一种基于高阶Poincaré映射的高精度引力场中回归轨道优化设计和控制的通用性半解析方法，其中摄动包含大气阻力、太阳辐射压力和日月三体引力等因素。通过对Poincaré映射进行高阶展开并表示为多项式形式，可精确近似对一个或者多个回归周期内的轨道递推，从而在赤道升交点处施加脉冲推力，实现高精度的回归轨道设计和控制。提出了分别解决严格和宽松2种回归约束下问题的方法，并应用于实际在轨TerraSAR-X、Landsat-8、IRS-P6、SPOT-7和UoSAT-12任务的回归模式。所提方法具有计算效率和精度高的优点，可用于星上自主轨道递推和轨道控制。      

基于交会模式的月球大椭圆轨道编队飞行控制

两颗微卫星进入环月大椭圆轨道后,在地面测控支持下,通过执行若干次轨道机动,最终实现从相距上千或上万km至相距1～10 km范围变化的环月轨道编队飞行。针对月球大椭圆轨道,基于多脉冲交会控制模式,设计了交会点满足编队飞行状态的轨道控制策略,采用线性制导方法迭代计算精确轨道控制参数;设计了顺序优化的5脉冲控制策略,对轨道平面、拱线、形状和相位等轨道全要素进行控制,通过远距离接近、中距离调整和近距离捕获的渐进式分段控制,在月球大椭圆轨道差异较大条件下,相对运动轨迹渐进稳定,最终实现近距离编队。     

直接再入大气的月地转移轨道设计

针对从月球停泊轨道出发直接再入大气的月地转移轨道设计问题，提出了一种数值求解算法。该算法由初值设计和精确解求解两部分组成。首先，根据轨道设计的相应约束，采用伪状态理论，通过简单迭代求解高精度的初值。然后，考虑精确的动力学模型，通过数值积分计算真实轨道和状态转移矩阵，并利用微分修正方法搜索精确解。该算法通过设计高精度的初值，降低了月地转移轨道的设计难度。数值仿真表明:该算法求解效率高，具有良好的鲁棒性。      

Trajectory optimization of multiple asteroids exploration with asteroid 2010TK7 as main target

In this study, the Earth’s Trojan asteroid 2010 TK₇ is selected as the rendezvous target. The multiple flyby sequence of asteroid exploration was proposed by optimizing the probe’s orbit. Impulsive maneuvers and low-thrust propulsion were used respectively to design the trajectories of the multiple asteroids exploration mission. Under impulsive maneuvers, gravity assist technique was adopted to reduce fuel consumption. First a reference orbit with only 2010 TK₇ as the rendezvous target was designed. Then five asteroids near the reference orbit were selected as candidates. Finally, we obtained a multiple asteroids exploration sequence of three asteroids based on gravity assist technique and genetic algorithm, and an additional velocity impulse of 0.4?km/s was required. In the subsequent section, a sixth-degree inverse polynomial shape-based method is applied to the low-thrust trajectory design of 2010 TK₇, and the exploration sequence under the action of low-thrust propulsion was provided.     

火星探测转移轨道初始设计与分析

根据推进方式和是否采用金星借力,火星转移轨道分为大推力直接转移轨道、大推力金星借力转移轨道、小推力直接转移轨道和小推力金星借力转移轨道4类。传统的轨道设计方法只是针对某一类特定的转移方案进行轨道优化,而并未针对不同的转移方案进行详细对比分析。文章以2020/2022年发射窗口为例,针对4类基本火星转移轨道进行研究。首先,基于不同轨道初始设计方法,对4类轨道进行了初始设计,得到了每类转移方案的能量最优转移轨道。然后,基于设计结果和能耗对4类转移方案进行了横向对比分析,得到了不同策略下的转移轨道的特性。基于小推力的火星探测任务轨道对发射能量要求低;大推力直接转移和借力金星的发射窗口交替分布,可以互为备份;基于小推力推进的探测器采用金星借力转移策略相比直接转移能够减少10%的能耗,优势十分明显。     

气动辅助异面变轨在多碎片清除中的应用分析

碎片清除飞行器异面变轨需要消耗大量燃料.从气动辅助异面变轨优化设计及被清除碎片轨道高度差值、倾角差值等参数对变轨性能的影响出发,比较分析了优化气动辅助异面变轨与双脉冲霍曼轨道转移的燃料节约量,研究了不同轨道高度差对于实施气动辅助变轨燃料节约量的影响.当地球静止轨道（GEO）与低地轨道（LEO）间气动辅助变轨优化速度增量约为1.55km·s-1、质量面积比172kg·m-2、比冲310s、轨道倾角变化16°时,燃料节约率约为45%.对比研究了不同轨道高度差LEO轨道间实施气动辅助变轨的燃料节约情况.结果表明:随着轨道高度的增加,气动辅助优化效率逐渐降低;在相同高度轨道间实施异面变轨,随着轨道倾角的增加,气动辅助变轨燃料节约率先增大后减小,倾角改变量约为20°时,燃料节约率最大;当轨道倾角为5°时,采用气动辅助变轨和双脉冲变轨的燃料消耗量相同.      

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.     

Impact of the orbital eccentricity on the attitude performance before and after the deorbiting phase for Alsat-1

Due to the presence of periodic forcing terms in the gravity gradient torque, orbit eccentricity may produce large response for the roll, yaw and pitch angles. This paper investigates the influence of the orbit eccentricity on the performance of the attitude determination and control subsystem (ADCS) pointing of passive Low Earth Orbit (LEO) satellites stabilized by a gravity gradient boom or having long appendages before and after the deorbiting operation. The contribution of this work is twofold. First, the satellite attitude dynamics and kinematics are modeled by introducing the orbit eccentricity in the equations of motion of a LEO satellite in order to provide the best scenario in which satellite operators can keep the nominal functionality of LEO satellites with a gravity gradient boom after the deorbiting operation. Second, a Quaternion-based Extended Kalman Filter (EKF) is analyzed when the orbit eccentricity is considered in order to determine the influence of this disturbance on the convergence and stability of the filter. The simulations in this work are based on the true parameters of Alsat-1 which is a typical LEO satellite stabilized by a gravity gradient boom. The results show that the orbit eccentricity has a big influence on the pointing system accuracy causing micro-vibrations that affect the geocentric pointing particularly after the deorbiting phase. In this case, satellites have no orbital correction option. The Quaternion-based Extended Kalman Filter analyzed in this paper, achieved satisfactory results for eccentricity values less than 0.4 with respect to pointing system accuracy. However, singularities were observed for eccentricity values greater than 0.4.     

基于θ-D方法的在轨操作相对姿轨耦合控制

针对诸如模块更换、燃料加注等在轨操作任务中的相对动力学与控制问题,建立了描述航天器间近距离相对运动的轨道姿态耦合动力学模型,结合轨道摄动和姿态干扰力矩分析了耦合项对模型的影响。考虑到基于状态相关系数形式模型的非线性和时变性,采用θ-D次优控制算法设计了相对姿轨耦合控制器。以在轨加注任务最终逼近段为背景,针对目标航天器失控旋转的情况进行了数值仿真,仿真结果表明了θ-D控制算法能够实现对相对轨道和姿态的同步控制,简化对控制器的求解并具有较高的控制精度。     

木星系探测及行星穿越任务轨迹初步设计

基于我国未来木星系探测任务需求,初步设计了任务轨迹。以目前的发射能力,要实现木星的环绕探测必将利用行星借力,需设计借力轨迹。首先将脉冲变轨的轨迹设计问题转化为参数优化问题,在满足2029—2032年间发射并且飞行时间不超过7年的约束条件下,使用PSO算法对发射时刻、借力时刻、深空机动时刻、到达时刻等参数进行优化,使得探测器需提供的总速度增量最小。探测器进入木星系后,利用木卫3借力捕获至环木大椭圆轨道,又利用木卫4构造共振借力,最终捕获至木卫4的环绕轨道。在此基础上,还考虑了天王星飞越的拓展任务,天王星探测器在到达木星时与木星系探测器分离,利用木星借力可无消耗飞往天王星,并在2043年完成天王星的飞越探测任务。     

Contingency target assessment,trajectory design,and analysis for NASA’s NEA scout solar sail mission

The presented study examines contingency target selection and trajectory design for NASA’s Near-Earth Asteroid Scout mission under the assumption of a missed lunar gravity assist. Two previously considered asteroids are selected as potential targets for the given scenario based on favorable orbital characteristics for launch dates ranging from June 27, 2020 through July 26, 2020. Initially, a simplified circular restricted 3-body problem + ideal solar sail model is utilized to survey trajectory options for a month-long launch window. Selected solutions from this data set are then converged in an N-body ephemeris + non-ideal sail model. Results suggest that NEA Scout can still perform asteroid rendezvous mission under the missed lunar gravity assist scenario with new targets, 2019 GF1, 2018 PK21, and 2007 UN12, based on the target launch dates. Further target assessment is carried out for 165 days beyond the current June 27, 2020 launch date.     

联合北斗导航与星间链路的大椭圆卫星定轨方法

传统的地面测控和GNSS均无法实现HEO卫星全弧段的跟踪观测.在分析北斗导航信号及其星间链路信号对典型HEO的观测几何及覆盖特性的基础上,利用北斗导航及其星间链路对HEO测控支持形成互补的特点,提出了一种卫星导航与星间链路相结合的自主导航方法.对HEO定轨进行分段划分并基于EKF设计了卫星导航与星间链路数据融合定轨的自主导航算法.分析结果表明,本文提出的方法能够从全弧段上改善HEO的观测几何,定轨精度比仅使用卫星导航提高了2个数量级,并且仅需较少的星间链路资源.