[發明專利]一種小推力借力軌道解空間剪切方法

無效

• 申請號: 201210499239.9
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN103020338A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 崔平遠;尚海濱;喬棟;趙遵輝;王帥
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種小推力借力軌道解空間剪切方法，屬于深空探測軌道設計領域。

背景技術

在深空探測任務中，探測器采取何種飛行方案，需要消耗多少燃料才能到達目標星體是任務設計首要關注的問題。由于深空探測的目標距離地球遙遠，探測器通常需要消耗巨大的能量才能實現向目標星體的轉移，傳統的化學推進系統比沖低、質量重的特點已顯現出其不足?？茖W家一直在尋求新的推進技術和飛行理念，以突破傳統飛行方式給深空探測任務帶來的限制。在這種需求下，一方面以太陽能電推進為代表的高效率小推力推進系統應運而生，小推力推進系統具有比沖高、質量輕的優點，可有效降低探測器在飛行過程中的燃料消耗，進而提高探測器的有效載荷；另一方面，隨著天體力學理論的深入發展，行星借力等天體力學機制也相繼被發現和提出，這些新穎的理念為深空探測器的飛行方式帶來了技術革新。先進的小推力推進系統與新穎的行星借力機制相結合，將為深空探測任務提供更多巧妙高效的探測方案，被認為是一種非常高效、具有廣闊應用前景的轉移方式。然而，對于結合小推力與行星借力技術的深空探測軌道而言，其解空間分布復雜、規律難尋、極值點繁多。進行此類軌道的設計時通常分為初始設計和精確設計兩個步驟，初始設計的目的是為精確設計提供可行的軌道關鍵參數初值。初始設計過程中一個重要環節就是剔除掉解空間中的不可行區域，這一環節也是保證初始設計結果正確可行的前提，是目前深空探測領域科技人員關注的重點問題。

在初始設計方面，常用的一種方法是采用形狀曲線逼近軌道，在先技術[1](參見Petropoulos?A?E,Longuski?J?M.Shape-based?algorithm?forautomated?design?of?low-thrust,gravity-assisttrajectories[J].Journal?of?Spacecraft?and?Rockets,2004,41(5):87-796.)，Petropoulos采用正弦指數曲線來逼近小推力轉移軌道，并結合行星借力模型拼接各小推力弧段，進而通過大規模參數搜索可行初始軌道，然而該方法在搜索初始轉移軌道解空間時需要消耗大量的時間。

在先技術[2]（Pascale?D?P,Vasile?M.Preliminary?Design?ofLow-Thrust?Multiple?Gravity-Assist?Trajectories[J].Journal?ofSpacecraft?and?Rockets,2006,43(5):1065-1076.），Pascale利用偽春分點軌道根數思想，通過對正弦指數曲線進行改進提出一種可用于交會軌道分析的方法。然而該方法引入了多個待定參數，增加了問題的復雜程度，使問題求解難度增大。

在先技術[3](Schützea?O,Vasile?M,Junge?O,Dellnitz?M,Izzo?D.Designing?optimal?low-thrust?trajectories?using?space?pruning?anda?multi-objective?approach[J],Engineering?Optimization,2009,41(2):155-181.)，Schützea等借助于正弦指數曲線思想，并通過構造相關約束條件對小推力借力軌道的解空間進行剖析。然而該方法在行星借力處引入速度匹配誤差容許機制，對求解精度有很大的影響，同時不適用于設計交會類型的轉移軌道。

發明內容

本發明的目的是為解決現有技術中結合小推力與行星借力轉移軌道解空間復雜、極值點繁多的問題，提出了一種小推力借力軌道解空間剪切方法，能夠求解得到結合小推力與行星借力轉移軌道的有效解空間。

根據任務需求，對問題模型進行歸結，得到進行小推力借力初始設計的相關參數集合，對設計參數的離散化處理，可以獲得直觀的小推力借力轉移軌道的初始解空間。通過構造相關約束條件，并驗證所得解空間中的每組數據，以判定各組參數是否滿足約束條件，來剔除不可行解，在這一過程中將采用逆六次多項式逼近小推力轉移軌道，它可以同時滿足探測器始末端邊界約束及飛行時間約束，對形狀逼近技術所得的相關參數值（速度增量、加速度最大值）進行判定，繼而進行不可行解的剔除；此外也通過引入行星借力模型拼接各小推力弧段，以計算探測器經過行星借力后的速度，該操作可消除速度匹配誤差，提高計算精度。該方法能夠根據給定的始末端邊界條件對不同任務類型的小推力借力轉移軌道進行快速設計。

步驟1，建立解空間