三角平动点附近高阶解在轨道位置保持中的应用

首先给出三角平动点附近的高阶解析解,并计算了三种特殊的运动类型。以日–地+月系三角平动点附近无长周期运动分量的拟周期轨道作为目标轨道,探讨轨道保持问题。针对三角平动点任务的轨道保持问题,我们研究了两种轨道保持策略,分别为多点打靶轨道保持与重构目标轨道的策略。计算中,将轨道控制问题转化为非线性规划问题,并以优化方法求解。仿真表明优化方法在轨道保持问题求解方面非常有效。     

星历模型地月系统平动点拟周期轨道设计研究

为改进使用圆形限制性三体模型设计轨道时缺乏摄动分析的不足,提高轨道设计的精度,对星历模型地月系统平动点拟周期轨道设计方法进行了研究。在不设置假设条件的前提下,考虑月球真实轨道及地球、月球和太阳的影响,在地心J2000惯性坐标系中建立平动点附近航天器高精度的星历模型。以圆形限制性三体中的周期轨道作为迭代初值,用星历表数据对轨道进行拼接获得所需的拟周期轨道;用多步打靶法替代单步微分修正进行迭代,对轨道上各节点进行校正以获得所求的拟周期轨道,给出了轨道设计步骤。仿真结果表明:所提方法可有效获得地月系统平动点附近拟周期轨道,提供满足真实动力学环境的轨道,有效节约轨道保持所需的燃料。该方法有较大的工程应用价值。     

采用打靶法设计考虑地球扁率的机动轨道

地球扁率对航天器机动轨道的影响不可忽视,因此研究考虑地球扁率的机动轨道设计方法对实现航天器的快速自主轨道机动是很有意义的。打靶法能够很好的解决两点边值问题,因此可以用来设计机动轨道。在仿真过程中发现,虽然一般情况下打靶法都能够很快收敛,但当地心转移角接近π时却出现发散现象,用卫星工具软件包(STK)、拟平均根数等方法验证了这一现象。通过理论分析找到了在两次冲量转移假设下,考虑地球扁率的机动轨道在地心转移角接近π时对末端边界条件比较敏感的原因,并提出了解决办法。     

日地Halo轨道的多约束转移轨道分层微分修正设计

针对日-地系统L1点（简称SEL1点）Halo轨道转移轨道设计中存在的多约束与初值敏感性问题,提出一种基于分层微分修正与初值多项式的设计方法。首先定义平动点转移轨道设计过程中存在的约束条件,然后根据不同的终端约束条件,重点给出了同时考虑轨道高度、轨道倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下的分层微分修正方法。通过分析约束变量与控制变量之间的关系,得到能够解决微分修正初值问题的初值表达式。最后在多约束条件下设计了从轨道高度为200km的地球停泊轨道到SEL1点Halo轨道的转移轨道。仿真结果表明,分层微分修正方法能够处理多约束问题,且初值表达式可以为微分修正提供良好的初始条件,从而保证算法收敛,方法具有较好的实用性。     

星历模型下地月自由返回全飞行过程轨道设计

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解,给出了变平面机动的计算方法。进一步提出了两轮逐次优化修正策略,分别以高度和再入走廊为主要约束,采用内点法和SQP算法在高精度星历模型下对自由返回轨道初值进行逐次优化修正。之后,采用SQP算法在星历模型下对近月三脉冲变轨进行优化修正,得到了星历模型下的自由返回+近月三脉冲变轨地月转移策略。仿真校验结果表明本文提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道,为载人登月任务的转移轨道设计提供参考。     

圆型限制性三体问题相对运动解析研究

针对圆型限制性三体问题共线平动点附近周期/拟周期轨道下的相对运动问题,提出一种新的、通用的解析研究方法。在周期/拟周期轨道近似解析解的基础上,结合微分修正方法,获得了精确的周期/拟周期轨道。对周期/拟周期轨道的单值矩阵进行分析,同时借鉴Floquet理论核心思想,建立了六个相对运动模态,并将相对运动表示为六个相对运动模态的线性组合,获得了相对运动的近似解析解。最后在地-月系统圆型限制性三体问题下,以L1点作为研究对象,分别以Halo轨道、Lissajous轨道和Lyapunov轨道为参考轨道,对相对运动模态和相对运动进行仿真分析,说明了相对运动模态的正确性以及相对运动近似解析解的有效性。     

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。     

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。     

基于大幅值Lyapunov轨道稳定流形的地月转移方法

针对现有的基于不变流形地月转移轨道设计方法存在的转移时间长、需要额外速度增量的缺点,本文利用平面圆型限制性三体问题下大幅值Lyapunov轨道的稳定流形,提出了一种地月低能转移轨道设计方法。首先计算与给定近月轨道相切的大幅值Lyapunov轨道作为参考轨道;然后根据小偏差值对稳定流形的影响确定Lyapunov轨道初始点的取值范围;再通过最近点截面确定与给定近地轨道相切的Lyapunov轨道的稳定流形;最后根据稳定流形的切点调整近月轨道半径,通过一条稳定流形直接连接近地轨道与近月轨道来实现地月转移。仿真结果表明,该方法仅需要两次速度增量,在能耗较低的前提下大大减少了探测器渐近Lyapunov轨道时的飞行时间,为地月低能转移轨道的设计提供了一种新思路。     

一种适用于大幅值Quasi周期轨道的数值构造方法

针对现有方法在构造大幅值quasi周期轨道时收敛性和通用性不足等问题,提出一种适用于大幅值quasi周期轨道的数值构造方法。首先针对2维不变环面的计算问题,设计了映射间隔约束的环面多步微分修正算法。在此基础上,采用自然参数延拓法和伪弧长延拓法两种不同的思路构造等映射间隔的quasi周期轨道族。接着以quasi-Vertical为对象分析了两种思路各自的特点。最后以quasi-Axial, quasi-DRO等为对象验证了方法对三角平动点及多对复特征值情况的适用性。仿真结果表明,所提出的方法能够简单有效地解决多种类型幅值比超过1.2的大幅值quasi周期轨道的数值计算问题。     

一种新的共线平动点拟周期轨道稳定保持策略

限制性三体问题下共线平动点附近的拟周期轨道在深空探测中具有重要的实际应用价值,得到了各航天大国的广泛重视。通过将动力学中心流形结构引入轨道控制方法的设计之中,得到了基于投影到中心流形的共线平动点拟周期轨道稳定保持策略。首先推导了会合坐标到中心流形坐标的正则变换方法,在此基础上设法通过引入轨道机动,将偏差状态点投影到中心流形上,从而达到消除不稳定分量的目的。该方法充分整合了平动点的动力学特性,并且也适用于周期轨道的稳定保持。通过对Lissajous轨道和晕轨道的数值仿真表明,该方法较以往方法具有更强的稳定性,能在显著降低轨控燃料消耗的基础上达到较好的稳定保持效果。     

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。     

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。     

近圆轨道航天器伴随飞行控制方法研究

对近圆轨道上航天器在轨长期伴随飞行的轨道控制方法进行了研究。比较了采用C\|W方 程（Clohess\|Wiltsire）解析解和轨道根数两种方法描述相对运动的相同点和差异。分析 影响航天器长期伴随飞行的各种因素。在总结相对运动规律的情况下设计轨道修正条件,提 出两种伴随飞行的轨道控制方法,并分别对两种方法的控制效果进行理论分析。数学仿真结 果表明两种控制方法都能实现航天器长期伴随飞行,且第二种方法能够较大程度上节省燃料 消耗。     

考虑任务聚类的多星观测分阶段调度方法研究

单个轨道圈次内星上能量和侧摆次数有限,在卫星观测调度时考虑任务聚类可以提高观测效率。分析了满足用户分辨率需求下多任务聚类的约束条件,并对聚类任务的时间窗口和侧摆角度进行了合理优化。提出了先聚类后调度再修复的分阶段求解策略:首先用团划分聚类算法和启发式插入聚类算法把多星多轨道圈次观测调度问题转化为单星单轨道圈次观测调度问题,然后采用基于时间序无圈有向图的多准则优化卫星调度方法求解单星单轨道圈次调度问题,最后提出一种修复策略进一步优化调度结果。案例仿真表明,提出的方法可行,能够提高卫星的观测效率。     

GEO混合推力机动目标跟踪IMM算法

针对交互多模型(IMM)算法求解地球静止轨道(GEO)卫星混合推力机动目标跟踪问题时模型匹配难、模型转移概率近似平均和响应速度慢的问题，从交互模型集构建和模型转移概率自适应设计两个方面出发提出一种改进IMM算法。该方法通过考虑无机动、脉冲机动和有限推力机动三种模式，构建了覆盖目标机动状态的交互模型集，提高了模型与机动目标实际运行状态的匹配度；采用一种基于加速度估计自适应修正的模型交互概率修正方法，提升了算法对目标机动状态的响应速度和跟踪精度。仿真结果表明，所提算法是解决混合推力模式下的GEO机动目标跟踪问题的有效手段，在收敛速度和收敛精度等方面与传统方法相比有较大提高。     

地月循环轨道动力学建模与计算研究

根据地月循环轨道的概念,按照生成第二类周期轨道的弧段进行分类,并讨论了其共振性与对称性在轨道设计与应用中的作用。然后归纳了三种循环轨道的动力学建模与计算方法及其轨道延拓策略,最后总结了三种方法的利弊和应用轨道类型。对地月系统循环轨道的研究和分析,能够为我国未来载人登月工程提供一种新的思路与理论支持。     

同步双小行星系统共振轨道设计

研究了同步双小行星系统中共振轨道的设计方法及演化规律。首先，基于双椭球模型建立探测器运动方程，并给出共振轨道初值选取方法。然后，利用改进并行打靶法，提出一种双小行星系统平面共振轨道两步修正方法。同时结合稳定性理论及分岔理论，给出双小行星系统三维共振轨道生成和延拓方法；最后，以双小行星系统1999KW4为例，设计了共振比为1∶1,1∶2,1∶3,1∶4,2∶3的平面和空间共振轨道族，并分析了共振轨道的特性及轨道周期和轨道能量的变化规律。给出的双小行星系统中共振轨道的设计方法具有普适性，对未来双小行星系统探测任务中的轨道设计具有一定的参考意义与借鉴价值。     

嫦娥四号着陆器月面定时定点着陆轨道控制策略设计与实施

嫦娥四号着陆器的着陆区范围仅为嫦娥三号着陆区范围的5%。为满足在月球背面狭窄着陆区的高精度着陆需求,在嫦娥三号单层迭代的轨道控制策略基础上,提出了一种基于双层迭代的高精度定时定点月面软着陆轨道控制策略,以环月轨道倾角和环月半长轴为设计变量,设计了多发射窗口的定时定点着陆的标称轨道;再通过在近月制动及后续环月轨道控制中引入面外修正速度增量,逐次缩小轨道控制残差,解决了着陆区范围缩小带来的动力下降初始点的位置和时刻精确瞄准的需求。在轨着陆任务完成时,着陆器在动力下降初始点的落点经度预报偏差优于0.1°,落点时刻预报偏差小于1min,表明该轨道控制策略满足任务要求。     

带有控制增益自校正的甚低轨道卫星自主轨道维持方法

为实现甚低轨道的长期稳定运行,分析了甚低轨道的摄动特性,设计了一种带有轨控增益校正的自主轨道维持方法。该方法可通过前一次轨控的结果对轨控增益进行校正,提高轨控算法对卫星质量、推力大小等不确定因素的鲁棒性,逐渐提高轨道控制的精度。对轨道控制的频率、每次轨控的时间长度及对偏心率的影响进行了分析,仿真结果表明:自主轨道维持方法能实现甚低轨道高度维持控制,在参数不确定的情况下,与传统算法相比可大幅提高轨道控制的精度,确保平均偏心率矢量收敛,满足甚低轨道卫星的长寿命要求。所设计的算法结构简单,运算量小,可由目前的星载计算机实现。