嫦娥五号月球轨道交会对接远程导引轨道设计与飞行实践

结合月球轨道交会对接任务的特殊性和中国探月工程的实际工程约束,介绍了嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计,包括轨道器调相和上升器远程导引两方面内容,重点介绍了月球轨道交会对接远程导引多脉冲调相轨道方案的选择、标称轨道优化设计、轨控策略和误差分析结果以及实际飞行轨道控制的情况。飞行实践数据分析表明:嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计是正确合理的,实际飞行的速度增量满足推进剂预算的要求,全飞行过程测控条件良好,交班点控制精度完全满足转自主控制的要求,有力保障了交会对接和样品转移的顺利完成。     

远程导引变轨方案修正算法

为在实际摄动条件下由远程导引变轨方案初始设计结果实现追踪航天器与目标航天器的交会,提出了一种修正变轨方案。将初始多脉冲式变轨方案转换为有限推力式并作修正,取远程导引结束时刻追踪与目标航天器间的相对轨道要素为目标函数,采用J2,J3,J4解析轨道预报器对目标函数计算需要的轨道进行预报,以历次变轨开始时刻、结束时刻和推力方向为优化变量,用边界约束有限存储BFGS(L-BFGS-B)优化算法获得的最优解为修正后的变轨方案,可消除摄动模型误差。算例结果表明,经转换和修正所得有限推力式变轨方案能在实际摄动条件下实现追踪航天器与目标航天器的交会。     

航天器远程自主交会方法设计与实现

为解决未来交会对接任务的自主化问题,提出航天器远程自主交会方法。给出适用于远程自主交会的变轨策略,设计航天器上自主变轨规划算法,通过初值计算和精确解迭代两个步骤对变轨策略进行求解,获得变轨控制参数。采用拟平均根数法结合平均密度法进行轨道预报,在尽量保证模型精度的同时极大降低了轨控参数求解过程中的在轨计算量。仿真结果表明,使用该方法规划的远程导引段轨道控制,可使终端精度满足指标要求,且方法简单可靠、合理可行,具有工程应用价值。     

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。     

静止轨道卫星远程交会策略设计

针对静止轨道卫星在轨服务任务,提出一种4脉冲远程快速交会规划方法,可在5圈内完成远程交会。调相策略设计中,通过对基于近圆偏差方程的变轨规划策略进行改进,设计得到了3脉冲调相方案。首先,固定第1和第2调相脉冲执行位置,对3个调相脉冲的速度增量及第3调相脉冲的执行位置进行设计优化;再固定第1调相脉冲,对第2和第3调相脉冲的速度增量和执行位置进行再次优化。轨道面调整设计中,通过求解轨道面节线位置,采用单一法向脉冲进行轨道面修正。数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

空间交会对接寻的段三次变轨策略分析

根据第一次变轨采用地面或自主引导,以及后两次变轨策略,提出了采用Hohmann变轨与CW双脉冲最优变轨、CW双脉冲变轨 中途一次修正,以及CW三脉冲最优变轨的空间交会对接寻的段三次变轨方案.仿真分析了方案中Hohmann变轨椭圆转移轨道远地点高度、CW双脉冲转移时间、总转移时间或第二次变轨时间与总特征速度的关系,并给出寻的段变轨策略建议.     

载人登月飞行方案研究

根据载人登月任务有无地球轨道和月球轨道交会对接,将登月途径分为地球轨道交会-月球轨道交会、地球轨道交会-直接返回、地球轨道不交会-月球轨道交会,以及地球轨道不交会-月球轨道不交会四类,并对各自可能的演变登月方式进行了分析。对载人登月的质量规模及运载火箭需求进行了分析,讨论并比较了一次发射、基于环月轨道交会组装和基于近地轨道交会组装方案的时间窗口和登月方案,并给出了建议。研究可为我国载人登月任务方案选取提供参考。     

远程导引脉冲变轨方案的有限推力修正

对远程导引脉冲变轨方案的有限推力修正进行了研究。将多脉冲变轨方案设计结果转换为有限推力式并进行修正,以消除转换误差和摄动模型误差。分析了由转换算法和摄动模型产生的初值误差,比较了不同工况下的修正效果。算例表明:将初始多脉冲变轨方案转换为有限推力后进行修正,所得结果能实现真实飞行环境中追踪航天器对目标航天器的拦截或交会。     

月面定点着陆变轨策略研究

在调研已有文献经验的基础上,考虑我国开展月球探测任务中实现月面定点着陆的设计约束的特殊性,对圈次调整、调相和轨道面调整等不同定点着陆变轨策略进行了比较分析,结果表明:月球探测任务中月面定点着陆的轨道设计需要考虑两个关键因素,即采用一个2对2的瞄准机动来达到理想的动力下降起始点高度和着陆点纬度,另外,还需要实施轨道平面调整机动来取得理想的着陆点经度,这个机动可以和近月制动或降轨变轨结合起来实施。     

基于C-W方程的近程导引制导与控制方法

根据轨道动力学建立的航天器自主交会绝对运动与相对运动动力学方程,设计了基于C-W方程的近程导引段双脉冲和多脉冲制导与控制方案。采用闭环多脉冲制导,以控制精度和燃料消耗为指标,对双脉冲、等时间间隔多脉冲和闭环多脉冲制导进行比较。仿真结果表明:闭环6脉冲制导可用于近程导引段,有一定的工程应用价值。     

月球卫星轨道摄动及冻结轨道研究

利用理论分析、数值仿真与相图分析,论述了月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的区别,分析结果表明,月球重力场存在较大异常,会引起月球卫星轨道发生较大漂移。月球冻结轨道在田谐项影响下,还存在中等周期的漂移。仅简单考虑带谐项系数,无法求得完美的月球冻结系数。月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球相比存在很大区别。月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计,不能按照地球轨道卫星的传统方法。目前使用的月球引力模型精度较差,尽管基于这些不可靠的引力模型,可以得出很多有用结论,但对未来高精度的月球探测任务来说,还存在不足,需要在将来的月球探测任务中,探测高精度的月球重力场,以利于未来月球探测航天系统的任务分析与设计。     

嫦娥一号月球探测卫星轨道设计

嫦娥一号卫星航天使命的主要科学目标是对月球及月地空间进行多种遥感探测,航天使命设计的主要和基本的部分是卫星飞行轨道的设计,其中包括在飞行过程中的轨道控制策略的设计。嫦娥一号的这条飞行轨道由三大部分组成:第一部分是绕地飞行的调相轨道,它们由周期为16h、24h、48h的三段轨道组成;第二部分是关键的地月转移轨道;第三部分是200km高度绕月飞行的使命轨道。文章给出了整个飞行轨道的设计思想。     

CE5T拓展试验轨道精度分析

针对嫦娥5T服务舱(CE5T)拓展试验中的绕地大椭圆轨道,分析了轨道动力学演化趋势,通过测轨数据类型组合策略分析了统一S频段测量(USB)和甚长基线干涉测量(VLBI)在定轨中的贡献,得到了百米级的精密定轨精度;针对地月第二平动点(L2)绕飞轨道,分析了地心和月心积分的轨道动力学差异,制定了精密定轨的参数求解策略,得到了百米级的精密定轨精度;针对月球交会对接轨道的特点,选取三种不同的重力场模型定轨,比较了三者在轨道预报和数据拟合的差异,并与嫦娥3号(CE3)环月轨道的定轨精度进行比对,验证了不同重力场的适用范围,从计算精度和效率两方面制定了优化的定轨策略。     

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。     

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。     

月食对环月卫星运行影响及对策分析

从月食与环月卫星的关系出发,讨论了月食对卫星的影响机理。针对如何尽量缩短卫星进入地影时间的问题,给出了相位调整的概念和原理,同时介绍了卫星有效进影时间的概念,说明了相位调整方法的可行性。最后通过实例应用给出了相位调整的效果。文章所介绍的分析和控制方法对于环月卫星具有较广泛的适用性,可以在我国后续的月球探测任务中作为参考依据。     

火星卫星的冻结轨道研究

冻结轨道是一种稳定的轨道,地球、火星、月球的卫星因引力场的南北不对称,都存在冻结轨道.由于主星体引力场的不同,它们卫星的冻结轨道也有不同的特性.地球卫星的冻结执道的偏心率非常小,对卫星遥感非常有利,国内外已有相当多的近地遥感卫星采用这种轨道.月球卫星的冻结轨道偏心率随轨道倾角的不同有很大的变化,对月球卫星冻结轨道的研究...     

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...     

CHANG'E-2 lunar escape maneuvers to the Sun–Earth L2 libration point mission

This paper addresses lunar escape maneuvers of the first Chinese Sun–Earth L2 libration point mission by the CHANG'E-2 satellite, which is also the world's first satellite to reach the L2 point from a lunar orbit. The lunar escape maneuvers are heavily constrained by the remaining propellant and the condition of telemetry, track and command, among others. First, these constraints are analyzed and summarized to design a target L2 Lissajous orbit and an initial transfer trajectory. Second, the maneuver mathematical models are studied. The multilevel maneuver schemes which consist of phasing maneuvers and a final lunar escape maneuver are designed for actual operations. Based on the scheme analysis and comparison, the 2-maneuver scheme with a 5.3-h-period phasing orbit is ultimately selected. Finally, the mission status based on the scheme is presented and the control operation results are discussed in detail. The methodology in this paper is especially beneficial and applicable to a future multi-mission instance in the deep space exploration.