[發(fā)明專利]基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉移設計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210499225.7
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN102923323A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設計）人: 崔平遠;尚海濱;喬棟;吳偉仁;王帥;竇強
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B64G99/00
• 分類號: B64G99/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉移設計方法，特別適用于流形接近的相鄰行星軌道間的轉移，屬于航天器軌道機動技術領域。

背景技術

傳統(tǒng)轉移方式的高燃料消耗嚴重制約著深空探測的快速發(fā)展，因此利用動力學技術進行轉移的技術受到了越來越多的關注，特別是借用不變流形進行轉移可以有效降低能量的消耗。借用不變流形的原理為合理的利用三體模型中主天體的長期攝動作用，從而有效的改變了軌道的能量。然而不變流形是一系列自然發(fā)生軌道的集合，至今無法給出簡易的描述方法，如何利用不變流形進行轉移從而降低能量消耗是當前流形應用中的一大難題。目前這方面的研究多針對同一系統(tǒng)下的轉移或大質量比系統(tǒng)之間的轉移，利用不變流行進行行星軌道之間轉移的研究很少。行星間借用不變流形進行轉移涉及到多個天體，而不變流形的描述通常只能在三體系統(tǒng)下進行，故需要同時考慮多個系統(tǒng)以及系統(tǒng)間的轉換，無法簡單套用前人方法完成軌道的設計。因此如何快速有效解算出基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉移軌道關鍵設計參數，提高設計效率是當前科技人員關注的熱點問題之一。

在已發(fā)展的借用不變流形的異行星軌道間轉移設計方法中，在先技術[1]（Topputo?F,Vasile?M,Bernelli-Zazzera?F.Low?energyinterplanetary?transfers?exploiting?invariant?manifolds?of?therestricted?three-body?problem[J].Journal?of?the?AstronauticalSciences,2005,53:353-372.），針對低能量行星際轉移軌道設計問題，結合龐加萊映射給出了表征出發(fā)不變流形與目標不變流形連接難易程度的函數，從而簡化了轉移機會的尋找問題；隨后，利用全局搜索算法和局部優(yōu)化算法對初始結果進行了進一步的優(yōu)化。由于搜索過程為首先得到連接點后逆推到行星附近，并在近拱點施加脈沖轉變?yōu)閳A軌道，事先無法得知最終優(yōu)化結果中環(huán)繞軌道的半徑，故該方法無法應用于固定軌道間的轉移。

在先技術[2]（Mingotti?G,Topputo?F,Bernelli-Zazzera?F.Earth-Mars?transfers?with?ballistic?escape?and?low-thrust?capture[J].Celestial?Mechanics?and?Dynamical?Astronomy,2011,110:169-188.），針對結合多體動力學以及高比沖小推進系統(tǒng)的地火轉移問題，首先考慮由地球逃逸的脈沖僅為切向，利用龐加萊映射給出了脈沖逃逸軌道的確定方法，該方法也適用于火星捕獲軌道的確定；然后，利用直接法將小推力轉移軌道的優(yōu)化轉換為一個多參數優(yōu)化問題，并引入多重打靶法對該問題進行求解。該方法能夠應用于借用不變流形的行星際固定軌道間轉移設計問題，但由于逃逸的脈沖為切向的，人為的縮小了脈沖的設計范圍，且沒有考慮不變流形的優(yōu)化，很難確定出最優(yōu)的逃逸軌道。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現有設計方法無法選擇最優(yōu)的不變流形及全局最優(yōu)的軌道轉移機會，結合龐加萊映射及等高線圖法，提出了一種基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉移設計方法。

本發(fā)明方法首先給出一種脈沖消耗評估方法，為選擇合適的不變流形給出了判斷標準；然后通過計算不變流形在固定圓軌道上的龐加萊映射，確定借用不變流形轉移軌道的范圍并利用等高線圖法得到了速度增量最小的transit軌道；完成逃逸transit軌道與捕獲transit軌道的設計后，在日心二體模型下拼接兩端的transit軌道，最終完成基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉移軌道設計。

基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉移軌道設計方法，具體包括如下步驟：

步驟1，設計逃逸transit軌道。

步驟1.1，逃逸transit軌道的目標函數取為