月球探测器转移轨道的中途修正

月球探测器的中途制导指的是在其转移轨道中途对轨道进行修正，使其按预定轨道飞行。本文研究的中途修正问题是确定所需的速度修正脉冲，使探测器不断接近标称轨道，并以预定状态到达月球，完成预定的飞行任务。本文首先建立中途修正的模型，其中月球和太阳的位置由DE405得到。然后，采用精确的数值积分方法找出满足预定条件(近地点高度、近月点高度及转移时间)的转移轨道。以该轨道作为标称轨道，分析中途修正所需要的速度修正脉冲与发射入轨时的初始误差(近地点速度误差、入轨高度误差、发射窗口误差等)和修正时刻的关系。最后分析两次中途修正的速度修正脉冲和修正时刻的关系，并得出适合的中途修正时刻。     

不同月球借力约束下的地月Halo轨道转移轨道设计

针对地月系L2点不同任务需求下的低耗能转移轨道设计问题,基于不变流形理论与混合优化技术,深入研究了不同月球借力约束与不同幅值Halo轨道的入轨点（简称HOI点）对转移轨道飞行时间与燃料消耗的影响,给出了HOI点选择策略。首先结合任务要求并考虑月球引力影响,在月球借力点施加不同约束条件,通过微分修正算法调整Halo轨道的稳定流形,设计月球到Halo轨道的转移轨道。采用遗传算法与微分修正算法相结合的混合优化策略,在同时考虑地球停泊轨道高度、倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下,对燃料最优的地月转移轨道进行研究。最后,分析月球借力高度、借力方位角和不同HOI点对平动点转移轨道飞行时间与燃耗变化量的影响,对于考虑月球借力的地月平动点转移轨道设计与应用具有重要的参考价值。     

探月飞行的调相轨道

早期的探月飞行都采用直接由地球飞到月球的地月转移方式,探测器由运载火箭直接发送到地月转移轨道,这样做的好处是飞行时间比较短,只需3至5天的时间。20世纪90年代开始的新一轮探月活动中采用了一种新的飞行方式,探测器飞离地球前,先在绕地球飞行的调相轨道上运行若干圈,这样做的好处有三：一是可以在运载火箭能力不够的情况下,由探测器来补充;二是可以减小转移轨道中途修正的负担;三是可以扩大发射机会窗口。文章以嫦娥一号探测器及美、日的两个月球探测器为例,详细讨论了这种新的飞行方式,同时还对我国后续探月计划的飞行轨道提出了初步建议。     

定时定点月面着陆全程轨道控制设计

针对定时定点月面着陆的目标要求,提出了全程轨道控制设计方法。进行了包括地月转移、近月制动、环月降轨和动力下降的全程轨道控制的分段设计和联合规划,实现在入轨轨道偏差条件下的定时定点月面着陆。分别构建了中途修正、近月制动、环月降轨三段轨道控制的规划变量和目标参数;根据轨道倾角建立了动力下降点与着陆点的匹配转换关系。设计了中途修正、近月制动、环月降轨、动力下降的全程轨道控制策略的联合规划。建立了着陆位置偏差与轨道倾角偏差、着陆时间偏差与轨道半长轴偏差的修正关系,修正设计了中途修正目标倾角和近月制动目标半长轴。仿真算例表明,在入轨偏差轨道条件下,保证了中途修正后的飞行轨道与标称轨道基本一致,实现了与标称状态基本一致的定时定点月面着陆。可应用于月球着陆、月球采样返回以及载人登月等实施月面定时定点着陆任务的轨道设计和控制实施。     

月地转移轨道中途修正方法及策略

针对月地转移轨道中途修正,以再入角、再入点地心距和地面落点位置为目标,提出一种基于线性修正的固定落点中途修正方法。以一条半弹道式再入的月地转移轨道为例,采用该方法研究中途修正速度增量与修正时机的关系,并基于蒙特卡洛仿真对两次修正的中途修正策略进行验证。计算结果表明,文章提出的中途修正方法及策略能够满足月球采样返回任务对再入参数及落点位置的要求。     

探测器月地转移入射变轨策略优化设计

在探测器月球采样返回任务中,从环绕月球的轨道返回地球的转移入射考虑采用一次变轨或两次变轨的方案。其中,月地转移入射一次变轨方案要求采用大推力变轨发动机,难以实现高精度轨道控制。为此,文章提出将月地转移入射一次变轨机动改为分两次执行,两次间隔大约1天的优化策略。首先讨论了月地转移入射一次变轨的基本设计方法,然后给出了月地转移入射两次变轨方案的优化设计算法流程,并采用数值算例进行了说明。此外,还对月地转移入射三脉冲变轨方案和低能月地转移轨道展开了讨论,并在多方案比较分析的基础上,推荐了月球采样返回任务采用的月地转移入射变轨策略。     

月球探测器返回轨道快速搜索设计

结合月球探测器返回地球的工程需求多约束背景,在双二体模型的假设下建立了一套理论解析模型,并采用二分法的搜索算法,快速实现了满足多种约束条件下的月地返回轨道设计。文中给出的搜索算法及流程快速有效,其结果可为轨道的精确设计提供良好的初值,对于要求返回的月球探测器设计工程任务具有一定的理论指导意义和应用价值。     

软着月任务窗口与轨道设计方法研究

建立了一套应用于多约束条件下软着月任务的窗口计算以及轨道设计方法。针对经历发射 段、地月转移段、绕月段及动力下降段的月球探测器,综合考虑各个特征点的位置、光照、 测控等约束,结合轨道特性,采用着月点→近月点→入轨点→发射点倒推的方式,快速确 定探测器的发射窗口。在其中选择发射时刻后即可计算转移轨道的轨道根数初值,并搜索计 算精确轨道。该方法对于我国月球探测后期工程的发射窗口计算与轨道设计工作有较重要的 参考价值。
     

多目标进化算法在航天器转移轨道中途修正中的应用

理论上只要根据初始轨道转移点和目标轨道进入点的信息,计算并产生转移所需速度增量,就可以完成航天器的轨道转移.但是由于误差的影响,需要在转移轨道飞行中进行中途修正,修正时刻的选择决定了入轨精度和燃料消耗.本文选择二次修正策略,设计了一种多目标进化算法,以Pareto秩和小生境参数共享函数计算个体适应度,采用共享函数选择法、自适应变异法进行遗传操作.同时构造外部种群储存Pareto最优解,并引入最优解集边界值以加快算法收敛至非劣解集前端的速度.通过仿真验证,该算法能够较完整地得到中途修正时机问题的Pareto最优解集,且分布均匀,满足工程实际的需要.     

嫦娥五号探测器多圈调相地月转移应急轨道设计与分析

针对嫦娥五号任务上升段末期火箭二级发动机可能出现的提前关机故障造成入轨半长轴偏差较大和中途修正速度增量超限问题,提出了多圈调相地月转移轨道应急控制策略.首先,分析了不同入轨半长轴偏差、中途修正时刻与中途修正速度增量消耗之间的关系;其次,针对半长轴偏差较大问题,基于微分改正算法与B平面参数,设计了解析窗口搜索与多圈调相地...     

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索因需考虑日、地、月引力的影响而使问题变得复杂。针对该多体系统的发射机会搜索问题,提出了一种分层渐近的搜索方法。该方法首先通过分析地月系质心与小行星的几何关系,搜索从地月系质心到小行星的发射机会,进而以地月运动为研究对象,推导出了从月球轨道切向逃逸机会的判别条件,并基于此判别条件及等高线图法对逃逸机会进行了搜索。同时,为提高所得发射机会在多体模型下的轨道修正收敛性,给出了基于月心逃逸轨道参数为终端约束的日-地与日-地-月动力学模型的轨道渐近修正方法。最后,以近地小行星(3908)Nyx和(190491)2000 FJ20为例,搜索其从月球逃逸的发射机会,仿真计算表明了该方法的有效性。     

载人月球极地探测地月转移轨道设计

针对载人月球极地探测任务,采用一种自由返回轨道与三脉冲机动轨道相结合的地月转移轨道方案.关于自由返回轨道部分的设计,建立了基于近月点伪参数的两段拼接模型,采用一种考虑地球扁率修正的改进多圆锥截线法进行求解,仿真结果显示改进的多圆锥截线法具有更高的求解精度,可为精确设计提供更好的初值;关于三脉冲机动轨道部分的设计,基于混...     

Low-energy Earth–Moon transfers involving manifolds through isomorphic mapping

Analysis and design of low-energy transfers to the Moon has been a subject of great interest for decades. Exterior and interior transfers, based on the transit through the regions where the collinear libration points are located, have been studied for a long time and some space missions have already taken advantage of the results of these studies. This paper is concerned with a geometrical approach for low-energy Earth-to-Moon mission analysis, based on isomorphic mapping. The isomorphic mapping of trajectories allows a visual, intuitive representation of periodic orbits and of the related invariant manifolds, which correspond to tubes that emanate from the curve associated with the periodic orbit. Two types of Earth-to-Moon missions are considered. The first mission is composed of the following arcs: (i) transfer trajectory from a circular low Earth orbit to the stable invariant manifold associated with the Lyapunov orbit at L₁ (corresponding to a specified energy level) and (ii) transfer trajectory along the unstable manifold associated with the Lyapunov orbit at L₁, with final injection in a periodic orbit around the Moon. The second mission is composed of the following arcs: (i) transfer trajectory from a circular low Earth orbit to the stable invariant manifold associated with the Lyapunov orbit at L₁ (corresponding to a specified energy level) and (ii) transfer trajectory along the unstable manifold associated with the Lyapunov orbit at L₁, with final injection in a capture (non-periodic) orbit around the Moon. In both cases three velocity impulses are needed to perform the transfer: the first at an unknown initial point along the low Earth orbit, the second at injection on the stable manifold, the third at injection in the final (periodic or capture) orbit. The final goal is in finding the optimization parameters, which are represented by the locations, directions, and magnitudes of the velocity impulses such that the overall delta-v of the transfer is minimized. This work proves how isomorphic mapping (in two distinct forms) can be profitably employed to optimize such transfers, by determining in a geometrical fashion the desired optimization parameters that minimize the delta-v budget required to perform the transfer.     

地-月系平动点及Halo轨道的应用研究

地-月系统的平动点L1点及L2点的Halo轨道在探月工程中有重要的应用价值，可分别用于地月连续通信覆盖和月球背面的探测。由于在地-月系统中太阳的引力不可忽略，特别是在长时间作用以后，其动力学行为与摄动力较小的日-地系统有明显的不同。本文分析了如何利用太阳引力进入地-月系统的L1点及L2点的Halo轨道、以及由Halo轨道进入近月轨道的问题，两者综合起来构成了一条完整的地月低能转移轨道。研究结果对探月轨道设计有一定的参考价值。     

基于地月信息的奔月探测器自主光学导航

基于地月信息提出了一种奔月转移轨道的自主光学导航算法。该算法首先利用导航相机得到的地球和月球边缘图像与地、月几何形状模型，运用扩展源的空间获取算法导出地心和月心对应的像素，然后利用地心和月心像素、探测器的惯性姿态和该观测历元的地、月星历信息，通过基于UD分解的递推加权最小二乘算法确定了探测器轨道。还引入导航系统的可观度定义来分析了导航系统的可观性，数学仿真结果表明导航的位置误差小于30km，速度误差小于0．3m／s，证明该自主光学导航算法是有效的。     

地月空间NRHO与DRO在月球探测中的应用研究

针对地月系统三体问题低能往返轨道转移在月球探测中的应用研究，结合天体借力飞行技术与混合优化技术，系统分析了不同目标轨道与借力方位对任务飞行时间与燃料消耗等关键参数的影响，给出了往返轨道设计初值的选择策略。针对轨道设计初值猜想问题，首先采用遗传算法与二体Lambert转移快速确定轨迹拼接点初值。在同时考虑近月点与近地点多约束条件下，基于序列二次规划算法与多重打靶法进一步对燃料最优的地月往返轨道进行研究，并推导了约束方程解析梯度提高设计效率。最后分析近月点高度、不同目标轨道的转移时间与燃耗变化特性，对于考虑月球借力的地月空间轨道往返转移设计及参数选取具有重要的参考价值。     

基于速度增量修正的卫星入轨段外测数据定轨新方法

在传统的数值积分精密定轨方法基础上,提出基于器箭分离速度增量修正的定轨方法,实现了器箭分离前后两段外测数据的联合定轨。仿真计算结果和任务实战数据验证结果表明,该方法大大提高了地月转移轨道入轨段外测定轨精度,比传统初轨确定方法提高约一个数量级。     

基于普适变量法的火星探测器轨道初步设计及仿真

对基于普适变量的火星探测器轨道初步设计进行了研究。设计了地火转移轨道段、地球逃逸轨道段,以及基于B平面法的中途修正方法。绘制了2013年火星探测发射和到达能量等高图,将得到地火转移轨道的初始参数输入STK软件获得了空间真实摄动环境中的火星探测轨道。