载人登月轨道月面可达区域分析

全月面到达是21世纪以来载人登月研究的主要目标之一。影响月面可达区域的因素有很多,而阳光入射角约束和转移轨道约束是主要因素。首先分析了不同纬度区域阳光入射角规律,其次建立了一种适于月面可达区域分析的双二体圆锥曲线拼接算法,分析了自由返回轨道和混合轨道月面可达区域,并计算了变轨策略及其速度增量关系,为未来实现载人登月月面着陆区选择提供参考。     

基于大幅值Lyapunov轨道的地月转移轨道设计研究

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转移问题转化为地球到大幅值Lyapunov轨道的转移问题。为保证探测器能够从近地轨道（LEO）切向逃逸到达大幅值Lyapunov轨道,通过计算其稳定流形,采用最近点作为Poincaré截面的终止条件求解探测器的初始状态,并根据初始状态完成地月轨道的设计。仿真结果表明,该地月转移策略相比于Hohmann转移,在同样只需要两次速度增量的前提下,约节约100 m/s的速度增量,该研究为地月转移轨道的设计提供了一种新思路。     

Earth-moon Trajectory Optimization Using Solar Electric Propulsion

The optimization of the Earth-moon trajectory using solar electric propulsion is presented. A feasible method is proposed to optimize the transfer trajectory starting from a low Earth circular orbit (500 km altitude) to a low lunar circular orbit (200 km altitude). Due to the use of low-thrust solar electric propulsion, the entire transfer trajectory consists of hundreds or even thousands of orbital revolutions around the Earth and the moon. The Earth-orbit ascending (from low Earth orbit to high Earth orbit) and lunar descending (from high lunar orbit to low lunar orbit) trajectories in the presence of J2 perturbations and shadowing effect are computed by an analytic orbital averaging technique. A direct/indirect method is used to optimize the control steering for the trans-lunar trajectory segment, a segment from a high Earth orbit to a high lunar orbit, with a fixed thrust-coast-thrust engine sequence. For the trans-lunar trajectory segment, the equations of motion are expressed in the inertial coordinates about the Earth and the moon using a set of nonsingular equinoctial elements inclusive of the gravitational forces of the sun, the Earth, and the moon. By way of the analytic orbital averaging technique and the direct/indirect method, the Earth-moon transfer problem is converted to a parameter optimization problem, and the entire transfer trajectory is formulated and optimized in the form of a single nonlinear optimization problem with a small number of variables and constraints. Finally, an example of an Earth-moon transfer trajectory using solar electric propulsion is demonstrated.     

月地转移轨道精确轨道设计

以基于Lambert算法的快速轨道设计结果为初值,开展精确轨道设计研究.通过对月地返回飞行阶段的摄动项和量级分析,建立了月地转移轨道的动力学方程,提出了一种双向嵌套循环搜索算法,采用该算法求解同时满足两端约束条件的精确月地转移轨道.该算法以出月球影响球的时刻和位置、速度为中间变量,一方面采用前向数值积分和微分改正法搜索满足地球再入端的轨道,另一方面采用后向数值积分并进行倾角和近月距修正得到满足月球端的轨道,通过这种双向嵌套循环,使得两段轨道在月球影响球边界处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束条件的月地转移精确轨道.最后以2017年1月26日出月球影响球作为返回窗口,给出了具体的设计算例,并通过STK软件仿真验证了程序的设计结果.     

基于人工免疫算法的载人登月任务地月转移双脉冲中止策略研究彭 坤,果琳丽,向开恒,王 平,杨 雷

载人登月任务中,任务中止策略设计是确保航天员安全返回的重要基础。首先结合"星座"计划飞行方案分析了载人登月任务各飞行阶段的中止策略;其次针对地月转移巡航段进行了双脉冲中止策略设计,以速度增量数值、方位角以及变轨时间间隔为控制变量,加入轨道同向、近地点高度、偏心率以及飞行时间约束,提出双脉冲变轨计算流程;最后采用人工免疫算法对该问题进行了求解和优化。仿真算例表明,双脉冲中止策略存在多组解,其全局分布特性为:飞行时间越短速度增量需求越大;飞行时间相近时,大偏心率中止轨道对应的速度增量小;故障点离地月加速点越近,所需速度增量越小。同时也验证了人工免疫算法求解双脉冲中止策略问题的有效性。     

卫星变轨初探

为了推算卫星变轨时刻和研究变轨过程中轨道变化规律,在仿真计算检验方案可行性的基础上,对有实际背景的某类卫星变轨进行了计算,大致复现了整个变轨过程。仿真和实例结果可为研究非合作目标的卫星轨道改变和变轨后再次捕获提供相关信息和参考依据。     

Halo轨道转移及中途修正问题研究(英文)

This article addresses the design of the trajectory transferring from Earth to Halo orbit, and proposes a timing closed-loop strategy of correction maneuver during the transfer in the frame of circular restricted three body problem （CR3BP）. The relation between the Floquet multipliers and the magnitudes of Halo orbit is established, so that the suitable magnitude for the aerospace mission is chosen in terms of the stability of Halo orbit. The stable manifold is investigated from the Poincar6 mapping defined which is different from the previous researches, and six types of single-impulse transfer trajectories are attained from the geometry of the invariant manifolds. Based on one of the trajectories of indirect transfer which are ignored in the most of literatures, the stochastic control theory for imperfect information of the discrete linear stochastic system is applied to design the trajectory correction maneuver. The statistical dispersion analysis is performed by Monte-Carlo simulation,     

精确轨道航天器的姿态机动策略选择

航天器姿态控制一直是地面飞控的核心,尤其对于有精确轨道控制要求的航天器,姿态控制的策略选择直接关系任务成败。探月三期月地高速再入返回任务对再入角有着严格要求,为了实现返回器高精度再入,在系统介绍服务舱的姿态控制模式、控制方法和控制流程的基础上,提出了利用修改相平面参数和轮控调姿,以建立轨控姿态,从而减少姿控喷气,并提高轨控精度的方法。飞行结果表明,中途修正的控制精度从最初的分米量级提高至0.009m/s。高精度轨道控制使得提前32h再入角控制精度达到0.024°,较设计指标提高1个数量级。文中提及的轮控调姿方法可作为未来深空探测任务姿态控制的设计参考。     

Scheme design of the CHANG’E-5T1 extended mission

Flight schemes for the CHANG’E-5T1 extended mission are investigated in this paper. In the flight scheme and trajectory design, the remaining propellant of the CHANG’E-5T1 mission is utilized. The CHANG’E-5T1 mission is firstly introduced with feasible flight goals derived based on the terminal trajectory and satellite status. The flight schemes are designed to include a lunar return and the libration points in the Sun-Earth/Moon and Earth-Moon systems, with an emphasis on the Earth-Moon triangle libration point thus far unexplored. Secondly, three schemes are proposed for the CHANG’E-5T1 extended mission with different flight goals. The direct libration point orbit transfer and injection method is adopted to solve the issue in the transfer trajectory design. Furthermore, an innovative concept is proposed to transfer from the Earth-Moon collinear libration point to the triangle point using the Sun-Earth/Moon libration point. Finally, the merits and drawbacks of the three schemes are discussed in terms of flight time, control energy and frequency, flight distance, and goal value. As a result, the scheme including a lunar return and the Earth-Moon L2 libration point is selected for the CHANG’E-5T1 extended mission. A flight to the Earth-Moon libration point is achieved, replicating the achievement of the ARTEMIS mission.     

奔月转移轨道的快速设计方法研究

 结合重叠圆锥曲线方法,针对着陆型和月球卫星型两种类型奔月转移轨道,给出了一种奔月转移轨道的快速设计方法。该方法是一种无需轨道数值积分的纯代数计算方法,直接从目标轨道参数出发,具有计算速度快、精度高的特点,避免了圆锥曲线拼接法精度差的缺点,可用于这两类奔月转移轨道的初始设计。该方法可为精确轨道计算提供较好的初值,大大缩短了轨道精确计算所需的时间。同时还针对地球扁率( J2 ) 的影响,给出了一种修正方法,提高了本方法的计算精度。     

载人登月着陆器奔月窗口搜索方法

对环月轨道共面交会的载人登月任务中,着陆器(LM)奔月零窗口与轨道参数精确快速设计方法进行了研究。任务采用人货分离奔月模式,着陆器于载人飞船到达环月轨道前抵达环月共面交会轨道,着陆器近月点一次共面减速完成近月制动。提出一种三层快速精确奔月窗口搜索方法:第一层采用地心二体轨道理论解析计算月窗口及奔月轨道参数初值,作为正确性基本参考;第二层采用改进的双二体解析动力学模型求解月窗口内奔月轨道参数变化规律;第三层采用高精度轨道动力学模型和SQP_Snopt优化求解奔月零窗口及轨道参数精确解。仿真结果表明,本文提出的三层逐级奔月窗口搜索方法能快速精确求解载人登月任务中着陆器奔月窗口及精确轨道参数,也揭示了影响着陆器奔月窗口的主次因素和规律,为中国未来载人登月工程提供参考。     

月球探测卫星的轨道支持

主要讨论采用月球卫星的探测方式时，月球探测器对测控系统的轨道支持要求和实现手段。重点对月球卫星转移轨道段的轨道测量和确定方法进行研究，利用仿真的地面站的测距和测角资料进行了定轨误差分析。     

月地返回轨道误差分析和第一次中途修正时机

分析了月地返回飞行过程中的误差因素和量级采用蒙特卡洛法和统计理论,定量分析了月地返回轨道入轨时刻误差、入轨状态误差、入轨控制误差、转移段定轨误差、中途修正控制误差等各种误差对轨道终端参数的影响。给出了月地返回轨道中途修正的计算步骤,然后以预期再入时刻和目标再入点为修正目标,采用微分改正法计算中途修正所需的速度增量。结合误差分析结果和测控条件,给出第一次中途修正时机的建议和一个具体算例,计算结果表明所提中途修正方法和策略可以修正入轨误差、定轨误差和控制误差的影响,使月地返回轨道可以按预期的再入时刻返回预定再入点。     

月球卫星精密定轨

随着空间应用需求的日益增大,深空探测已成为现实,而月球显然是人类走向深空的首选目标。发射月球探测器通常分3个阶段,其运动状态分别对应3种不同类型的轨道:近地停泊轨道、地月转移轨道和绕月轨道。月球是1个慢自转天体且无大气,就轨道解而言这些因素导致环月卫星的运动与地球卫星有所差别。本文针对月球探测任务的特点,从月球与地球的差别入手,在仔细分析月球卫星的受力状况前提下,着重阐述月球探测器在环月段精密定轨的方法原理和具体实现过程。     

地月系低能转移轨道设计

分析了不同转移轨道间的性能指标,以黄道面与白道面交线作为庞加莱截面实现不同系统轨道的拼接,利用其中耗能最小的日地系稳定流形和地月系的不稳定流形设计了一条低能耗转移轨道.最后对不同轨 道进行了能量分析和对比,优化了国内提出的低能探月轨道.仿真结果表明,文中方法比直接通过霍曼转移节约21.1%的能量,对探月工程的轨道设计具...     

Fuel-optimal trajectories of aeroassisted orbital transfer withplane change

The fuel-optimal control problem arising in noncoplanar orbital transfer employing aeroassist technology is addressed. The mission involves the transfer from high Earth orbit to low Earth orbit with plane change. The complete maneuver consists of a deorbit impulse to inject a vehicle from a circular orbit to an elliptic orbit for atmospheric entry, a boost impulse at the exit from the atmosphere for the vehicle to attain a desired orbital altitude, and a reorbit impulse to circularize the path of the vehicle. In order to minimize the total fuel consumption, a performance index is chosen as the sum of the deorbit, boost, and reorbit impulses. The application of optimization principles leads to a nonlinear, two-point, boundary value problem, which is solved by a multiple shooting method     

击中月球的转移轨道研究

对击中月球的转移轨道进行了全局性的研究,对这种转移轨道的要求是,近地点高度及飞行时间都是预先确定的,采用一种十分有效的算法,可以方便地找出所有满足要示转移轨道,这种方法的关键是利用初始状态终极状态的状态转移矩阵进行迭代,给出了这些转移轨道和近地点和着月点的轨迹,并讨论了轨迹随飞行时间变化的特性,研究结果表明,对于任意的轨道倾角都可以到两条满足要求的转移轨道。     

地月系统循环轨道初步设计与特性分析

基于平面圆型限制性三体问题(CR3BP)模型,根据轨道弧以及顺行和逆行特征采用圆锥曲线拼接法设计了5类地月系统周期轨道。以地月系统循环轨道的工程约束为出发点,从轨道周期、近地点高度、近月点高度、交会对接速度、轨道稳定性等方面分析了这5类周期轨道的特性,从中选择了适合地月系统循环轨道任务方案的周期轨道,并对周期轨道进行了优化。该研究为我国未来载人登月工程提供了一种新的思路与理论技术支持。     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施简

针对我国空间交会对接轨道控制规划技术,研究了轨道交会优化、应急轨道控制、安全轨道防护和发射窗口规划等一系列关键问题.设计了全寿命周期交会对接任务轨道控制规划方案,从目标飞行器发射到飞船返回,对轨道控制进行了全程协同、全局优化.设计了相位、高度、圆化度多目标融合控制算法;建立了规划变量对远距离导引终点六自由度的独立控制方程;设计了标称整体规划与动态逐级规划相结合的多模式规划策略;基于导引终点整体调整和局部调整的方式,实现了正常和应急条件下天地导引交接点的动态规划;提出了基于飞行控制过程建模的导引终点精度分析方法,确定了地面导引向自主导引切换的关键判据;建立了多约束交会对接发射窗口模型,构建了多任务多年度发射窗口集合.交会对接轨道控制规划技术成功应用于神舟八号、神舟九号和神舟十号交会对接任务.     

On the Non-coplanar Transfer of Type II between Two Circular Orbits

The paper regards two-impulse transfer from a low parking orbit into a circular orbit with the altitude less than 36 000 km, while the inclination correction is carried out with each maneuver. An approximate formula is proposed capable of evaluating analytically the optimal value of the first correction of inclination; the corresponding accuracy data are given. Examples are provided to show the operational efficiency of an optimal non-coplanar transfer of the type II with injections of satellites into various target orbits from Russian launch sites with due account of the available launch azimuths.