Optimization of Multi-Orbit Transfers between Noncoplanar Elliptic Orbits

Using the maximum principle formalism, the problem of optimizing interorbital transfer between two noncoplanar elliptic orbits is reduced to solution of a boundary value problem for a system of ordinary differential equations. In order to solve the resulting boundary value problem numerically, the numerical homotopic method or modified Newton's method is used. When solving the boundary value problem, the right-hand sides of differential equations of motion are averaged numerically. Efficient software is developed, and a large number of optimal trajectories are calculated using it. As a result of analysis of these numerical data, new high-quality results are obtained. Specifically, a bifurcation of optimal solutions is found, the existence of critical inclination is demonstrated, and a partial classification of the structure of optimal control is performed.     

低轨星载拦截器对高轨卫星的拦截

本文分析了低轨星载拦截器进行轨道机动拦截高轨卫星的能力。在拦截系统分析中,威胁区、防区和拦截区是三个基本概念。本文给出了其建模及求解方法,并利用数字仿真,给出了对应于不同拦截时间的典胁威胁区、防区和拦截区。     

太阳帆绕地球周期轨道研究

  地球同步和太阳同步卫星在各个领域有着广泛的应用。静止轨道是一种特殊的地球同步轨道,轨道资源有限。利用化学推进或电推进可以实现轨道高度不同的同步轨道,如悬挂轨道,但需要消耗较多的燃料,工程上无法承受。本文考虑利用太阳帆实现地球同步和太阳同步轨道。太阳光压力在轨道平面内沿拱线方向,选择光压力与平面的夹角使得轨道平面的旋转速率与太阳光同步。研究表明,设计合适的半长轴和偏心率可以使得轨道旋转速率与地球自转速率一致。假设太阳光与赤道平面平行,可以得到准静止轨道,太阳帆将在传统静止轨道的附近运动,星下点的经度将在一个固定值附近振动。实际上太阳光是与黄道面平行,黄道面与赤道面之间存在夹角。考虑黄赤交角的情况下,太阳帆将在一定纬度和经度范围内运动。适合于对某个区域进行长期观测任务。     

圆轨道欠驱动航天器编队重构脉冲控制

针对圆轨道径向或迹向欠驱动航天器编队重构控制问题,提出了欠驱动脉冲控制方法。首先,基于圆轨道欠驱动航天器相对运动动力学模型,分析了两类欠驱动条件下的系统可控性和重构可行性。然后,解析推导了两类欠驱动条件下实现重构所需的最少脉冲次数以及对应的速度增量消耗。最后,设计数值仿真算例,验证了本文提出的欠驱动脉冲控制方法的正确性。仿真结果表明:径向和迹向欠驱动条件下均可实现圆轨道编队重构。与全驱动控制方法相比,欠驱动控制方法可有效避免由推力器故障引起的重构任务失效,故而提高了控制系统的灵活性与可靠性。     

绕月自由返回轨道的设计与分析

绕月自由返回轨道用于早期载人登月任务及相关试验任务,对保证任务成功起了重要作用。作为可选的轨道飞行方案之一,其对当前及未来的月球探测任务设计仍具有重要的工程意义。文章阐述了给定约束条件下绕月自由返回轨道的设计方法,并基于该方法分析了绕月自由返回轨道的相关特性,为任务设计和分析提供了基础。     

考虑地球扁率效应的两圆轨道之间的双共切最优转移

两圆轨道之间的双共切转移轨道是其近地点和远地点分别在这两个圆轨道上的椭圆轨道。本文用两次冲量法给出了沿双共切椭圆轨道实现从一圆轨道向另一圆轨道转移的最优方案，并考虑到地球扁率造成的轨道摄动。文中的所谓圆轨道指的是变轨时刻的密切轨道为圆形的轨道，是对近圆轨道的近似替找。     

椭圆轨道编队飞行的典型模态与构型保持控制方法

基于T H方程推导了椭圆参考轨道编队飞行的周期性条件,讨论了椭圆参考轨道卫星编队飞行的典型模态。该模态是圆形参考轨道空间圆形模态的推广。论述了二阶带谐项(J2项)摄动对编队飞行构型保持的影响,基于相平面法提出了一种编队飞行构型保持控制方法。该控制方法不是消极的抵消干扰的影响,而是积极的利用干扰的作用达到节约燃料并精确保持构型的目的。仿真表明,采用该控制方法可对椭圆参考轨道卫星编队构型进行有效的保持。     

一类适用于各种轨道类型的导航卫星广播星历研究

导航卫星广播星历是卫星导航定位的基础,要求有较高的精度和实时性。GPS和GLONASS广播星历形式适合于某一类卫星轨道,但存在一定局限性。利用切比雪夫多项式拟合导航卫星轨道,拟合系数作为广播星历的参数发布,这是一种新的广播星历形式,可作为各种轨道类型的导航卫星的广播星历参数,而且具有精度高、计算速度快等特点。     

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。     

Gravitation Maneuver Using the Families of Super-Unstable Orbits around the Libration Points

The families of periodic solutions to an autonomous Hamiltonian system in that part where the solutions are unstable have their specific field of influence. Under strong instability, the orbits that have fallen in such a field of influence are drawn into the family as in a whirlpool and then are thrown away from it. In the particular case of the restricted three-body problem, the orbits around the libration points L ₁ and L ₂ are super-unstable and the Keplerian elements in motion over these orbits change drastically. When the orbits fall into such a domain, for some time the motion is close to the motion around the libration point, and after being thrown out of this domain, the Keplerian orbital elements also change essentially.     

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。     

Investigation of Periods of Evolution for Elliptical Orbits in the Double-Averaged Hill Problem

The geometric analysis applied to the solutions obtained by M.L. Lidov [1] of the satellite version of a restricted circular double-averaged three-body problem allowed us fresh view at the comparative analysis of evolution periods for various elliptical orbits. Based on the similarity theory, the parameters of similitude are invoked for orbits and perturbations. An expression for the period of evolution of three orbit elements through the appropriate similitude parameters is derived. On this basis, a regularity is formulated, the consequences of which are analyzed.     

考虑地球扁率的大椭圆轨道编队飞行优化设计

大椭圆轨道上卫星编队的相对运动特性及其所受摄动力的影响给编队轨道设计者提出了新的挑战.本文总结了大椭圆轨道卫星编队的五种基本形式,利用数值积分法计算了主星轨道倾角、近地点角和平近点角初值对地球扁率作用下基本编队形式相对位置极值点漂移量的影响规律.结合零J2项摄动条件,提出基于主星平近点角初值的J2项编队相对轨道优化设计方法,进而获得瞬时根数描述的编队初始条件.仿真算例表明：优化设计结果可以明显降低大椭圆轨道编队卫星的相对漂移量,与平根数描述的编队初始条件的设计结果相比,相对距离极大值点的漂移量降低约81.8681%,验证了基于主星平近点角初值的大椭圆轨道编队优化设计方法的可行性.     

水平冲量作用下共面椭圆轨道上航天器的交会

本文研究了在三次水平冲量作用下,一般共面椭圆轨道上两个航天器的固定时间交会问题。推导了完成交会的必要条件,给出了三次水平冲量的大小及其作用时刻的计算方法。     

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。     

Optimal Choice of a Satellite Broadcasting System Based on High-Elliptic Orbits

The problem of the construction of a satellite broadcasting system whose capabilities are supplemented and expanded in comparison with geosynchronous satellites is considered. The optimal orbit of a high-elliptic satellite of the Earth, which provides for a maximal duration of stay of the satellite sighting line within the directional pattern of an antenna motionlessly installed on the Earth's surface, is determined. The advantages of using a satellite system with such orbits are shown.     

椭圆轨道编队常值推力构形变化控制方法

采用T-H方程作为椭圆轨道编队的动力学描述，推导了常值推力作用下的椭圆轨道编队的构形变化控制方法。通过合理的选择控制量的作用时刻，可达到大量节约燃料的目的。结合该构形控制方法给出了燃料均衡与燃料最优的解决方案；最后，给出的仿真算例说明了本文设计方法的有效性。     

A Retrospective Geometric Analysis of the Long-Term Evolution of Orbits and the Ballistic Lifetime for Satellites of the Prognoz Series

We consider the applied aspects of the geometrical analysis of solutions in a restricted circular double-averaged three-body problem that are concerned with the design of high-apogee satellite orbits. Based on the analysis of the long-term evolution and the ballistic lifetime for orbit families of the Prognoz satellites launched into their orbits in the period 1972–1995, we suggest some practical suggestions for choosing long-lived high-apogee orbits with taking into account various requirements for the domain of evolution of the orbital elements.     

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。     

邻近近圆轨道两个飞行器的最优交会

邻近近圆轨道上两个飞行器的相对运动可以用线性化Ｃ—Ｗ方程描述。本文利用线性化Ｃ—Ｗ方程研究了常推力作用下两个飞行器的固定时间最省燃料交会问题，给出了最优推力作用的开关函数和最优推力方向的计算方法。