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。     

向月飞行轨道的若干特性研究

利用圆锥曲线拼接技术，研究从地球圆形停泊轨道飞向月球的轨道及月球卫星轨道的轨道特性，当地月转移轩道平面与月轨道平面共面时，月心轨道和地月转移轨道射入条件的关系可用一组代数方程描述，不共面时，可用一组超越方程迭代求解，数字仿真得到了有益结论。     

向月球飞行轨道的若干特性研究

利用圆锥曲线拼接技术,研究从地球圆形停泊轨道飞向月球的轨道及月球卫星轨道的轨道特性.当地月转移轨道平面与月球轨道平面共面时,月心轨道和地月转移轨道射入条件的关系可用一组代数方程描述;不共面时,可用一组超越方程迭代求解.数字仿真得到了有益结论.      

空间交会目标航天器相位调整策略

目标航天器相位调整机动的目的是为交会对接任务做准备,是一个非固定时间交会问题.从调相的墓本原理出发,分析了大气阻力、升交点赤经漂移及轨道误差对相位角的影响,并将这些参数用于改进冲童对相位角影响的估算公式.将佑算公式与数值积分相结合,从摄动轨道机动参数计算、调相方向选取与机动圈次选择三个方面改进相位调整策略.仿真结果表明:提出的相位调整策略可以稳定高效地获得摄动轨道机动参数,能够满足终端精度要求,相对于直接根据相位角偏差正负来选择调相方向的策略可以节省推进剂消耗.     

日晕轨道卫星的转移轨道中途修正研究

由于平动点任务探测器对各种误差源和摄动因素的敏感性,因此必须考虑转移轨道的中途修正问题.以晕轨道近地点入轨的转移轨道为例,进行了初始发射误差的灵敏度分析,提出了三脉冲和四脉冲两种中途修正方案,并且讨论了转移轨道初始误差、导航误差、机动执行误差等误差源和地球摄动、月球摄动、太阳光压摄动等摄动因素对转移轨道修正代价和修正效果的影响.仿真得到了修正时刻和误差量与修正量之间的关系,Monte Carlo仿真结果表明给出的两种修正方案是可行的.     

陆探一号卫星严格回归轨道管道导航在轨应用与验证

严格回归轨道的设计基于高阶次的地球非球形引力场模型,属于太阳同步回归、冻结轨道,回归周期始末的地固系空间轨迹高度重合.卫星在轨的自主管道导航以地面设计的严格回归轨道作为参考轨道,卫星与参考轨道形成一个虚拟编队.严格回归轨道的设计未考虑大气阻力,卫星在轨由于大气阻力导致的轨道衰减可由自主定轨与参考轨道的偏差进行估算.为了实现参考轨道的重复使用,严格回归轨道的设计也未考虑历元相关的日月三体引力等摄动影响,轨道倾角的长期运动和周期运动规律需要结合在轨数据进行辨识.本文应用陆探一号的在轨遥测数据,对上述轨道运动特性进行了分析.     

地月拉格朗日L2点中继星轨道分析与设计

地月L2点位于地月连线的延长线上,在地月L2点运行的卫星可以连续观测月球背面,解决月球背面与地球之间的通讯问题,在月球背面着陆探测任务中起着至关重要的作用。对从地球出发、利用月球引力辅助变轨、形成地月L2点的轨道进行了研究,分析了发射窗口、地月转移时间、近月点高度、近月点倾角、轨道振幅等多项因素对转移轨道和使命轨道特性的影响,寻求满足地月L2点中继任务需求的飞行轨道。通过分析研究,文章明确了转移和使命轨道的相关特性,可为中继星任务轨道的参数设计和优化提供有益参考。     

两种J_2摄动模型下卫星编队相对位置误差分析

为了研究一个轨道周期内卫星和卫星编队的运动规律,在J2摄动理论基础之上,采用摄动加速度分析方法,给出了J2瞬时摄动模型。以近地太阳同步轨道卫星和双星编队为例,与只考虑J2一阶长期项的平均摄动模型比较,仿真分析结果表明,对卫星而言,一个轨道周期内,卫星半长轴相对平均半长轴漂移达到18km,偏心率相对平均偏心率漂移达到10-3量级,轨道倾角相对平均轨道倾角漂移达到0.01°,即由于J2瞬时摄动的影响,卫星运动发生了摄动;对双星编队而言,一个轨道周期内,两星相对位置的径向误差达到5km,沿迹向误差达到19km,法向误差相对较小,在10-2量级上,相对距离的误差达到了19km,随着时间的推移,误差会越来越大。     

考虑月球升交点黄经的地月低能转移轨道

地月转移轨道研究的基本模型主要是限制性二体模型和限制性三体模型。在限制性三体建模下,基于轨道分类理论的地月脉冲变轨比传统的霍曼变轨节省了更多的燃料(至少13%以上)。单独的"地球-月球-飞行器"的限制性三体问题无法应用轨道分类的理论进行轨道设计,必须加入太阳。文章考虑了月球升交点赤经、黄白交角,以及正确的地月系统稳定流形的方向,整个"太阳-地球-月球-飞行器"系统拆分为"地球-月球-飞行器"的平面圆型限制性三体问题,和"太阳-地球-飞行器"三维圆型限制性三体问题进行分析,并利用Matlab仿真验证了方案的可行性。     

基于电推进卫星飞往Halo轨道的转移轨道研究

利用电推进及轨道力学的特性实现节能优化,将限制性三体问题中的稳定不变流形与小推力轨道优化相结合,研究全电推进卫星从地球停泊轨道飞向日地拉格朗日L2点Halo轨道的低消耗转移轨道.航天器的转移轨道分为逃逸段、拼接段与无动力滑行段.在逃逸段卫星沿速度方向加速脱离地球引力,拼接段采用Radau伪谱法进行优化,使航天器以最短时间到达目标Halo轨道的稳定不变流形上,随后航天器电推进系统关机,沿稳定不变流形无动力滑行至目标轨道.基于雅克比积分常数给出拼接段轨道初始猜测值,以先提高切向方向航天器能量避免了全程优化离散点过多难以求解的问题.仿真结果表明,该方法收敛速度较快,对平动点工程任务的初期轨道特性计算具有实际意义.      

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

航天器交会远程快速自主制导方法

针对近地近圆轨道航天器交会任务,设计了基于经典轨道要素的远程快速自主制导算法.对于任意初始纬度幅角偏差的远程导引,通过建立纬度幅角偏差与半长轴偏差的关系,将远程导引段分为初始轨道飞行、调相轨道飞行和调整轨道飞行3个阶段.初始轨道飞行进行轨道共面修正和调相机动;在调相轨道飞行期间,进行自然调相以及调相轨道到调整轨道的机动;调整轨道飞行阶段进行追踪航天器的远地点高度和近地点高度的修正,以及再次共面修正.所有变轨机动都以制导脉冲的形式给出,并都在轨道特殊点执行.精确轨道仿真验证了远程快速自主接近制导算法的可行性.     

目标飞行器交会对接轨道的设计和控制

根据目标飞行器轨道高度和追踪飞行器入轨轨道高度,给出了目标飞行器交会对接轨道初始相位的设计方法。针对目标飞行器交会对接轨道控制要求,建立了共面相位计算模型以及轨道相位、高度和圆化度的多目标参数求解模型。基于定轨误差、轨道控制误差和轨道预报误差的调相时间分析,制定了目标飞行器调相控制策略。仿真计算表明,实现的目标飞行器交会对接轨道满足要求,验证了调相控制量优化原则的正确性,并对标称共面与虚拟共面的共面时刻和共面相位进行了比较。所提出的计算模型、控制策略和分析方法适用于目标飞行器交会对接轨道设计和控制实施。     

月球极轨探测器轨道方案设计

首先介绍了一种当前技术较为先进的奔月转移轨道方案－定相环形轨移轨道，指出了其优缺点及可行的轨道修正方案，然后确定了对月观测型探测器轨道设计原则，并采用定相环形奔月转移轨道，从总体方案的角度给出了一个月球探测器轨道设计方案，提出了具体的设计与分析方法，最后以某月球探测器为例进行了计算，给出了设计结果。     

Phasing with near rectilinear Halo orbits: Design and comparison

In the next future, space agencies are planning to return to the Moon. The objective is to assemble an orbiting space station, called Gateway, on a Near Rectilinear Halo Orbit around the Moon as a base for future Moon and deep space missions. Within this framework, multiple side missions will be planned to sustain the Gateway (Artemis mission). The proposed work is thought in framework of the preliminary design of future cargo missions, in particular on the design of an efficient phasing trajectory, under the Circular Restricted Three body problem hypotheses, to bring a cargo vehicle from the end of the Earth-Moon transfer to the beginning of the proximity operations such as rendezvous and docking with the space station. The work aims covering the lack of literature in phasing trajectories with the NRHO by proposing three different strategies to connect the Earth-Moon transfer trajectory with the proximity operations. The three strategies are classified based on the choice of the parking orbits or the choice of the manifolds. Two strategies use butterfly and Halo orbits to park the vehicle before transferring to the target orbit. The third strategy, instead, uses manifolds to allow a direct phasing. In the paper, the three innovative strategies are designed and compare in a specific scenario.     

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。      

多约束多星快响巡察任务规划方法

多星快响巡察任务是指多个目标卫星出现不明状况,巡察服务平台在短时间内进行轨道转移,携带多个子航天器对目标进行飞越巡察。对于该问题的任务规划,首先基于共面机动给出了平台调相策略并建立了满足光照和机动能力等约束的巡察窗口筛选计算模型;其次提出了一种贪婪搜索和多轮规划的方法,用于确定任务分配方案和巡察次序;最后在高精度轨道模型下验证了方法的有效性并将该方法与混合编码遗传算法进行了对比。在算例中,该方法的优化效果稍优于混合编码遗传算法,而且求解效率是后者的约227倍,表明贪婪搜索和多轮规划方法更适用该问题的高效求解。     

冻结轨道的一阶解

将 Brouwer早期研究所获得的一阶解变换为适用于小偏心率轨道的结果 ,根据这个结果可以清楚地看出冻结轨道就是精确的圆轨道 ,冻结的特性及其机理也可以清楚地显示出来。此外还进一步采用 Hill变量将冻结轨道的一阶解表示成一种非常简单的形式。     

大偏心率轨道星上快速计算方法

卫星星上轨道的计算方法通常有解析方法和数值积分方法等.采用数值积分方法计算量较大,对于大偏心率的探测器任务轨道,解析方法也不适用.通过引入精密轨道与二体轨道的位置差,利用位置差拟合切比雪夫多项式系数,大大提高拟合精度.该方法计算精度高、计算速度快,可以很好地解决大偏心率椭圆轨道的星上轨道计算问题.     

基于机动力模型的GEO卫星恢复期间定轨

北斗卫星导航系统(BDS)中GEO卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导 航服务需求提出了更高要求, 如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速 恢复能力, 是提升导航系统服务精度的关键因素. 针对该问题, 本文提出了基 于机动力模型的动力学定轨方法, 尝试利用高精度的C波段转发式测距数据, 辅 以机动期间的遥测遥控信息建立机动力模型, 联合轨控前后的观测数据进行动 力学长弧定轨. 利用BDS中GEO卫星实测数据进行了定轨试验与分析, 结果表明, 恢复期间需要采用解算机动推力的定轨方法, 联合机动前、机动期间和机 动后4h数据定轨的轨道位置精度在20m量级, 径向精度优于2.5m. 该方 法克服了短弧跟踪条件下动力学法定轨和单点定位中的诸多问题, 提供了解决 GEO卫星机动后轨道快速恢复问题的技术方法.