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。     

共线平动点的动力学特征及其在深空探测中的应用

首先系统地阐述了限制性三体问题中共线平动点的动力学特征,给出了这类平动点附近的中心流形（周期轨道和拟周期轨道）及双曲流形（稳定与不稳定流形）的计算方法,并在限制性三体问题模型下给出了相应的数值算例。在此基础上,进一步探讨了将探测器定点在共线平动点附近的条件和相应的轨道控制问题以及如何利用共线平动点的不稳定性实现节能过渡问题,并在太阳系多天体引力模型下给出了一些算例。     

拉格朗日平动点之间的转移轨道设计

针对三体问题中平动点转移轨道设计问题,首先以Richardson三阶近似解为初值,采用微分修正法,计算出简单周期轨道;利用单值矩阵法,计算出简单周期轨道附近的不变流形.然后根据Broucke的简单周期轨道分类思想,利用地-月平动点之间月球附近的周期轨道作为中转,设计LL2附近的Lyapunov轨道,LL1附近的Lyap...     

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。     

嫦娥五号平动点拓展任务轨道方案研究

中国嫦娥五号探测器成功实现月球采样返回任务,为最大限度利用任务资源,研究了利用嫦娥五号轨道器的平动点拓展任务轨道方案,设计了平动点轨道及其转移轨道.首先,给出了任务轨道设计的轨道动力学模型,包括圆型限制性三体问题模型和精确力模型.其次,基于嫦娥二号和嫦娥5T1平动点拓展任务设计经验,介绍了平动点轨道直接转移与入轨等轨道...     

一种计算三体问题周期轨道的新方法

针对三体问题周期轨道计算方法存在计算量大、改变雅可比能量和局限于计算特定周期轨道等不足,本文提出了一种计算周期轨道的新方法。首先建立了一种初始点和投影点关系的改进型庞加莱截面图,能够更直观地反映随着初始点改变周期轨道的演变和分叉;其次基于改进的庞加莱截面图,通过初始点与投影点的对应关系筛选出可能存在周期轨道的候选区间;然后在该候选区间内利用状态转移矩阵给出距离周期轨道初始点真实解非常接近的初始猜想;最后采用打靶法求解能够快速得到周期轨道的数值解。本文方法不需要改变三体系统的雅可比能量,迭代次数少,能够快速计算得到大范围、具有x轴对称性的周期轨道。以地月圆形限制性三体问题为例进行仿真,验证了该方法的快速性和有效性。     

利用太阳帆定点探测器在地一月系共线平动点附近的探讨

共线平动点附近的运动仅仅是条件稳定的,探测器的轨道需要经过控制才能维持在其附近.以地-月系11点和12点附近大振幅晕轨道的控制为例,探讨了太阳帆在定点这类探测器中的应用.首先,考虑了月球轨道的偏心率和太阳辐射的影响,给出了太阳帆对日定向的探测器轨道的低阶分析解,并在此基础上构造了在太阳系真实引力模型下一段时间内维持在共线平动点附近的拟周期轨道.然后,给出了两种利用太阳帆的控制方案,一是固定面质比而改变太阳帆法线的方向,另一是固定太阳帆对日定向而改变面质比,并对两种方案分别作了数值模拟.最后,文章探讨了测控误差及地、月影对轨道控制的影响.     

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。     

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。     

地月系平动点轨道动力学建模与控制策略研究

根据嫦娥四号探测器开展月球背面探测的中继通信需求,基于地月系平动点特性,建立考虑三体引力的高精度动力学模型,给出不同飞行阶段的轨道求解方法。在动力学模型和求解方法基础上,结合嫦娥四号"鹊桥"中继卫星的轨道设计,提出了最佳轨道方案和轨道控制策略。"鹊桥"卫星的飞行实践结果表明:动力学建模及轨道设计结果正确,满足中继任务需求,相关模型和方法可为未来平动点任务提供参考。     

地月平动点拟周期轨道探测器自主导航方法研究

地月L2点的拟周期轨道可以用于实现与月球背面的持续通信,具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。针对地月L2点探测器所处的弱稳定拟周期轨道,论证了基于日地月信息的自主导航方法的可行性,并进行了深入分析。首先,推导了会合坐标系下带有星历的精确导航动力学方程;其次,针对弱稳定轨道不同于近地强稳定轨道的特性,在基于日地月方位信息导航的基础上,提出了三种敏感器组合方案。使用迭代最小二乘方法给出导航仿真结果,并结合非线性可辨识性理论对这三种情况下历元状态的可辨识性及可辨识度进行分析。最后,仿真结果表明,使用日地月敏感器以及对地多普勒雷达可以满足历元状态的可辨识性、导航的收敛性以及系统经济性的要求。     

从地球到日-火系平动点轨道的转移

平动点轨道特殊的空间位置及动力学特征,使其在深空探测中具有重要的应用。以日-火系平动点轨道(Lissajous与Halo轨道)任务为目标,结合平动点轨道的不变流形理论,研究了小推力转移问题。首先给出了圆型限制性三体动力学模型下平动点附近不变流形(稳定和不稳定流形)高阶分析解以及相应的计算实例。接着以流形分析解为基础,建立了初始小推力轨道优化模型,并利用改进的协作进化算法求解初始小推力轨道。最后将初始轨道离散,采用多点打靶法将最优控制问题转化为参数优化问题,并用序列二次规划方法(SQP)求解。仿真结果证明轨道设计方法的有效性。     

平动点双脉冲转移轨道的快速计算方法

针对限制性三体问题中的平动点双脉冲转移,提出一种高效的计算方法。通过利用基于二维插值的数值流形近似方法对流形进行近似计算,同时利用二体模型下的圆锥曲线近似流形拼接段,根据经典轨道要素推导得到完成拼接所需的速度增量,避免在优化过程中对流形的重复积分计算,以及在三体模型下对拼接段的迭代计算,从而显著提高计算效率。然后推导得到三体问题下的主矢量理论,可将其用于对优化所得的双脉冲转移轨道进行燃料最优性的验证。最后,以航天器从近地圆轨道到地月系L1点的halo轨道的双脉冲转移为例进行数值仿真,验证数值流形近似算法和二体模型近似脉冲的有效性,并表明该方法在优化过程中具有高效性。     

飞月轨道引力捕获设计方法研究

利用太阳引力摄动与月球绕飞设计的地月转移轨道（飞月轨道），与霍曼转移相比，虽然飞行时间较长（约三、四个月），但可显著节省速度增量（可达１５０米／秒），对无人月球探测器尤为适合。应用平面圆型限制性四体问题动力学模型，选择从月球出发的初始条件。借助“地心距－时间曲线”，从平面圆型限制性四体问题转换为一般的限制性四体问题。通过典型模拟计算，分析负向积分（从月球轨道出发）初始轨道参数及太阳方位对月球探测器     

探测器定点在日-地＋月系三角平动点附近的轨道控制

日-地+月系统的三角平动点相对两个中心天体不变的几何构型使得它们可以作为某些特殊探测器的放置场所.尽管在圆型限制性三体问题下三角平动点附近的运动是稳定的.在探测器的实际运行过程中,由于其它天体的摄动,轨道控制仍是需要的.根据三角平动点的动力学特征对探测器定点在日-地+月系统的三角平动点附近的轨道保持问题作了相应的研究.     

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。     

月球探测再入返回试验后续飞行方案研究

对于中国月球探测再入返回飞行试验的剩余推进剂,研究并设计了后续飞行方案。首先,基于月球探测再入返回飞行试验任务结束后的轨道和卫星状况,分析了可行的探测目标,确定了以日地月空间和相应平动点作为探测目标的后续飞行方案。其次,针对后续飞行方案中的轨道设计与控制需求,研究了平动点轨道直接转移入轨方法和不同系统的平动点轨道转移方法。相对于目前常见的基于不变流形的平动点转移轨道设计方法,文章方法无需进行大量的流形计算,因而计算步骤简单,计算量大大降低,尤其便于实际飞行任务应用。最后,设计了后续飞行方案的飞行轨道和相应的控制方案,同时分析了控制操作的地面测控条件。研究结果表明,基于月球探测再入返回飞行试验任务的剩余推进剂,完全可以在日地月空间开展多项具有创新性和重要应用价值的飞行试验验证,为我国后续"夸父"和月球探测等深空探测任务积累宝贵的测控技术和经验,同时为后续深空探测的"多目标多任务"设计思路提供有益借鉴。     

地月高能共振循环轨道的快速计算及最优选择

针对现有高能共振循环轨道计算方法存在计算量大、有可能改变轨道共振特性和不能构造共振比大于2.3的地月循环轨道等缺点,本文提出了一种地月圆型限制性三体问题下高能共振循环轨道的快速计算方法。首先根据轨道在月球附近的组成弧段对高能共振循环轨道进行分类;然后根据轨道类型构建二体开普勒椭圆轨道;再进一步计算圆型限制性三体问题下的地月高能共振循环轨道;最后根据能量、稳定性、时间周期、近地点高度和近月点高度对所计算出的地月高能共振循环轨道进行最优选择。仿真结果表明,本文所提出的方法简单有效,能够计算出共振比为5:2的地月高能共振循环轨道。     

地月空间对称自由返回轨道设计与分析

为快速设计出适合载人月球探测任务和地月空间人员运输任务的自由返回轨道,在三体模型下研究了地月空间对称自由返回轨道的设计方法及其轨道特性。首先,在圆型限制性三体模型建立自由返回轨道地心旋转系下二维极坐标动力学模型。其次,根据自由返回轨道对称特性建立求解模型,选择近月点y轴速度为控制变量,并基于月球逃逸速度给出控制变量初值估计方法,提出了不同地心和月心运行方向的对称自由返回轨道搜索策略。最后,分析了4种类型对称自由返回轨道的轨道差异,并分析了不同近地点高度和近月点高度下自由返回轨道的轨道特性。仿真结果表明:文章提出的设计方法能快速准确地搜索出指定类型的对称自由返回轨道,同时其轨道特性分析结论可为后续载人月球探测任务和地月空间人员运输任务的自由返回轨道选择提供参考。     

基于圆型限制性三体模型的借力飞行机理研究

针对星际探测中的借力飞行技术,基于圆型限制性三体模型,深入研究了全相位角情况下借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。在圆型限制性三体问题的假设下,通过正向与逆向积分相结合的方法,给出了圆型限制性三体系统中,通过借力飞行实现逃逸与俘获以及顺行轨道与逆行轨道转变的条件,并以地月系统为例,给出了通过月球借力飞行实现地月系统俘获与逃逸的借力飞行参数选择区域。同时,也给出了通过月球借力飞行实现轨道类型转变的参数变化范围。最后,讨论分析了借力飞行高度、速度和借力相位角对借力飞行轨道能量变化量的影响,进一步揭示借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。