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.     

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。     

地月系中探测器定点在三角平动点附近的位置漂移及其控制问题

对地月系中三角平动点的稳定状态以及在该点附近定位探测器的可能性作了深入探讨,研究表明,尽管地月系中的μ值较大 (μ=1／80) ,在圆型限制性三体问题意义下,所允许的初始状态偏离程度可以很大,但由于第四体（太阳）引力摄动太大（其量级可达2×10 -2>μ) , 将探测器无控制地定点在其三角平动点附近的可能性几乎不存在。如果有这种定点需要,则必须在运行过程中按偏离的规律进行轨控,就像地球静止卫星在赤道上空定位控制那样,进行“东西”控制（相当于轨道半长轴的控制）和“南北”控制（相当于轨道倾角的控制）.     

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。     

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。     

嫦娥二号探测器轨道确定与支持

针对嫦娥二号探测器直接进入地月转移轨道、距月面100km高度捕获月球、完成既定任务后飞往日地第二拉格朗日平动点等飞行轨道方面的新特点,分析了定轨预报策略,利用事后精密轨道,全面评估了关键变轨点定轨预报和变轨后快速定轨的精度,其中,近月制动前3h定轨预报至近月点的位置误差为1km,速度误差为 0.3m/s 。利用不同月球引力场模型进行环月轨道精密定轨,根据实测数据残差分析和精密星历比对的结果,采用SGM100h引力场模型的定轨残差均方根最大。此外,针对嫦娥二号扩展任务,分析了不同测轨条件下的定轨精度,测量数据残差分析结果表明,在扩展任务中途修正前的定轨弧段内,测距、时延和时延率数据的残差分别为5m,5ns和1ps/s。     

日地L4/L5点太阳立体探测任务初步设计

太阳耀斑和日冕物质抛射不仅是太阳物理研究中的重要课题，也是空间环境探测研究的重要对象。文章提出了一种在日地L4/L5点布置一颗探测器开展太阳立体探测的技术构想，相较于目前国际上在地球轨道或日地L1点布置探测器只能沿日地连线方向获取正对地球的太阳活动信息而言，该构想具有更大的优势，能够从侧面对整个日地连线上的日冕物质传播和演化规律进行立体监测，获取单点探测无法得到的立体信息，从而大大丰富太阳磁场、太阳活动等信息。文章在国外相关任务调研的基础上，对达到L5点的轨道转移方式和代价进行了初步计算，提出了探测器总体方案设想，并对我国开展L4/L5点太阳立体探测给出了未来发展建议。     

太阳系边际探测飞行任务规划

针对太阳系边际探测任务，开展了星际多目标飞越的任务规划，采用小推力混合优化设计方法完成了基于借力飞行及电推进技术的行星际转移轨道联合优化设计，对比研究了面向日球层鼻尖和尾部探测的星际多目标探测飞行方案。研究表明，探测器在2024-2025年发射，可飞抵日球层鼻尖区域，在2027-2030年发射可飞抵日球层尾部区域，并可在2049年1月1日前飞离日心100 AU，实现太阳系边际空间的科学探测。其中日球层鼻尖探测任务探测器飞抵100 AU的位置位于鼻尖中心区域，可与旅行者1号、2号探测器形成有效互补。文章所用任务规划方法，可为太阳系边际探测的自主任务规划技术提供基础，相关研究成果能够为未来中国首次太阳系边际探测任务的实施提供有价值的参考。     

太阳帆航天器三维人工平动点变化特性研究

本文研究了太阳帆航天器在光压因子、锥角和钟角共同作用下的三维人工平动点的变化特性。在光压因子较小的时候,五个平动点会拓展成五个不相连的“人工”平动点面。随着光压因子增大,平动点面SL 3 ,SL 4 和SL5将逐渐扩大并互相融合,最终延展至SL 1 与之融合。而平动点面SL2则始终保持独立的球面,只随着光压因子的增大而扩大但不与其它平动点面发生融合。平动点位置的改变,意味着对应的周期轨道也随之改变,这为平动点周期轨道的转移等任务提供了有效参考。     

发射消息

印度“极轨卫星运载器”（PSLV）XL型火箭2013年11月5日在斯里啥里科塔岛的萨迪什·达万航天中心成功发射了该国首个火星探测器“火星船”。作为印首项真正意义上的行星际探测任务,这项任务若取得成功,     

深空探测器推进系统

以技术较成效的月球探测器、火星探测器推进系统为重点，介绍了国外深空探测活动的情况。简述了深空探测对推进系统的需求、我国航天器液体推进技术的现状。认为我国的推进技术经一些适应性发展，即可满足深空探测的需求，并且设想了我国近期较为可行的深空探测器推进系统方案。     

深空探测器表面采样技术适应性研究

对探测器硬件表面的生物负载进行有效评估,是深空探测任务中行星保护的重要环节.文章对比了两种植绒拭子在不同材料表面对不同产芽孢菌的采集效率.结果显示,国产CY-93050T植绒拭子的采集效率高于ESA常用的Copan 552C植绒拭子,两者的平均采集效率分别为45.38％±13.46％和29.43％±8.2％;材料表面物...     

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...     

Planetary Defense From Space: Part 1-Keplerian Theory

A system of two space bases housing missiles is proposed to achieve the Planetary Defense of the Earth against dangerous asteroids and comets. We show that the layout of the Earth–Moon system with the five relevant Lagrangian (or libration) points in space leads naturally to only one, unmistakable location of these two space bases within the sphere of influence of the Earth. These locations are at the two Lagrangian points L1 (in between the Earth and the Moon) and L3 (in the direction opposite to the Moon from the Earth).

We show that placing bases of missiles at L1 and L3 would cause those missiles to deflect the trajectory of asteroids by hitting them orthogonally to their impact trajectory toward the Earth, so as to maximize their deflection. We show that the confocal conics are the best class of trajectories fulfilling this orthogonal deflection requirement.

An additional remark is that the theory developed in this paper is just a beginning of a larger set of future research work. In fact, while in this paper we only develop the Keplerian analytical theory of the Optimal Planetary Defense achievable from the Earth–Moon Lagrangian points L1 and L3, much more sophisticated analytical refinements would be needed to:

1. Take into account many perturbation forces of all kinds acting on both the asteroids and missiles shot from L1 and L3;

2. add more (non-optimal) trajectories of missiles shot from either the Lagrangian points L4 and L5 of the Earth–Moon system or from the surface of the Moon itself;

3. encompass the full range of missiles currently available to the US (and possibly other countries) so as to really see “which asteroids could be diverted by which missiles”, even in the very simplified scheme outlined here.

Outlined for the first time in February 2002, our Confocal Planetary Defense concept is a Keplerian Theory that proved simple enough to catch the attention of scholars, representatives of the US Military and popular writers. These developments could possibly mark the beginning of an “all embracing” mathematical vision of Planetary Defense beyond all learned activities, dramatic movies and unknown military plans covered by secret.     

国外深空探测态势特点与启示（上）

通过对国外主要航天大国在深空探测领域发展过程的梳理,重点分析了各国在无人深空探测技术、载人深空探测技术和地面测控通信技术三个方面的技术发展特点,并从总体角度对其主要技术特征和关键技术进行了深入剖析,从中提炼出对我国深空探测活动的启示,以期对我国深空探测的开展有所借鉴和推动。     

国外深空探测态势特点与启示（下）

通过对国外主要航天大国在深空探测领域发展过程的梳理,重点分析了各国在无人深空探测技术、载人深空探测技术和地面测控通信技术三个方面的技术发展特点,并从总体角度对其主要技术特征和关键技术进行了深入剖析,从中提炼出对我国深空探测活动的启示,以期对我国深空探测的开展有所借鉴和推动。     

地月平动点轨道应用与研究进展

面向未来月球和深空探测任务的需求,调研了地月平动点应用与研究的国内外现状与进展,着重分析了近年来的研究方向、研究内容、技术方法与特点,提出了面向未来月球和深空探测任务的地月平动点应用构想,梳理总结了需解决的相应关键技术,可为未来平动点相关研究与应用提供有益借鉴,以及为我国后续月球和深空探测任务的规划与论证提供参考。     

深空遥测系统中信道编码简述

由于深空信道的极低的信噪比,具有高增益的信道编码技术是深空遥测系统必不可少的环节。总结了深空通信领域中曾经使用的或可能使用的各种典型的信道编码包括卷积码、级联码、TURBO码和LDPC码方式,并对各种编译码方式的特点进行比较,给出其性能仿真。最后,对深空通信信道编码技术(包括TURBO接收机、LDPC码的应用以及编码调制技术)未来发展作展望。     

拉格朗日点附近编队的离散控制方法

由于拉格朗日点的独特空间位置，它附近的编队研究对深空探测有着很重要的意义。讨论了日地系统拉格朗日点附近编队的脉冲控制方法，给出了一种简单的实现编队的迭代算法。基于该算法，讨论了两种不同控制策略。根据编队任务的特点，定义了几个与编队误差和能量消耗相关的性能指标。通过仿真圆形编队算例，对两种策略进行了比较分析。结果表明策略二无论在消耗能量方面还是在误差控制方面都优于策略一。对于策略二，当脉冲间隔一定时，能量消耗随编队半径的增加线性增加。当编队半径一定时，误差随脉冲间隔的减小呈指数减小，而能量消耗随脉冲的变化很小。