[發明專利]一種考慮目標天體影響球的借力飛行仿真方法

有效

• 申請號: 201010120400.8
• 申請日: 2010-03-08
• 公開（公告）號: CN101794336A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 張燕;楊芳;劉勝利
• 申請（專利權）人: 航天東方紅衛星有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種空間探測器借力飛行的仿真方法，特別是借力目標天體的 引力影響球大小與飛行距離之比較大，其影響球內飛行軌道不宜忽略時的天體 借力飛行仿真方法。

背景技術

隨著人類對空間探測活動認識的逐漸加深，天體借力飛行技術得到了越來 越多的關注。在空間探測活動中天體借力飛行技術的意義主要有三：一是可以 節省探測器所帶的燃料；二是可以縮短星際航行時間；三是可使探測器進入非 常特殊的軌道進行難得的探測活動。

在國外的文獻C.Ocampo的“Trajectory?Analysis?for?the?Lunar?Flyby Rescue?of?AsiaSat-3/HGS-1”一文中，Daniel?Muhonen，Sylvia?Davis等在 “Alternative?Gravity-Assist?Sequences?for?the?ISEE-3?Escape?Trajectory”一 文中，Rollin?W.和Stanley?Ross在“The?Venus?Swingby?Mission?Mode?and?its Role?in?the?Manned?Exploration?of?Mars”一文中，以及我國的高長生等在“黃 道面外宇宙探測器軌道設計”一文、馬文臻等在“多天體交會借力飛行軌道設 計的圖解法”一文、盧征仁等在“借月球引力節省火星探測器發射能量的方法” 一文中對空間探測器的天體借力飛行技術進行了的仿真與分析。雖然這些文獻 都對借力目標天體近旁沿雙曲線軌道運動的借力飛行實質進行了描述，但是， 在分析過程中對整個探測器的軌道進行了簡化，忽略了借力目標天體的引力影 響球內的探測器軌道段，即將探測器的整個軌道視為借力飛行前軌道段和借力 飛行后軌道段兩部分，而將借力目標天體引力影響球內的軌道段簡化為拼接點。 這種分析方法在星際探測活動中影響不大，因為探測器在太陽系內飛行時，主 要受太陽引力影響，且借力天體的影響球半徑與其到太陽的距離之比小于0.01。 然而，對于飛行在與地-月系統這種由兩顆距離較近、質量相差不大的系統內的 探測器而言，若要借助小質量天體——月球的引力飛行，考慮到借力目標天體 的引力影響球半徑(如，月球影響球半徑為66200km)與探測器的飛行最大直 線距離(如，地月平均距離384400km)之比較大，探測器在借力目標天體的 影響球內飛行時間較長，對探測器的軌道產生的影響較大，這時忽略借力目標 天體影響球的影響會帶來較大的誤差。

發明內容

本發明的技術解決問題是：針對借力目標天體引力影響球大小與探測器飛 行距離之比較大時，忽略借力目標天體影響球內探測器的運動會帶來較大分析 誤差的不足，本方法將借力目標天體的影響球簡化為球形，并將探測器在影響 球內的運動簡化為沿雙曲線軌道的二體運動進行分析，該雙曲線軌道與飛出影 響球后探測器軌道采用圓錐曲線拼接法進行處理，完成對借力飛行前后的仿真 分析工作，使仿真分析更接近探測器在空間的真實運動情況。

本發明的技術解決方案是：一種考慮目標天體影響球的借力飛行仿真方法， 步驟如下：

(1)將借力目標天體影響球假設為球形，確定該影響球的半徑r_influence及其 與借力目標天體與慣性中心之間的平均距離r_{target_center}之比ratio；當ratio＞0.01時， 考慮探測器在借力目標天體影響球內的運動，轉步驟(2)，否則，忽略探測器 在借力目標天體影響球內的運動，將探測器在慣性空間中的借力飛行前后的軌 跡在拼接點處進行拼接仿真；

(2)根據具體的發射任務，確定探測器在飛向借力目標天體的轉移軌道在 慣性坐標系下的初始位置及發射時間t₀；

(3)假設探測器在借力目標天體影響球內的軌道為雙曲線軌道，根據指定 的飛越借力目標天體時的軌道高度h_p，利用雙曲線軌道特性，求解出探測器進 入借力目標天體影響球時的慣性中心-借力目標天體中心連線與借力目標天體 中心-探測器位置矢量之間的夾角λ₁，進而求出此時探測器的慣性位置矢量大小 r₁；根據夾角λ₁和位置矢量大小r₁，求得此時的位置