[發明專利]基于圓柱型速度參數截面的地月自由返回軌道設計方法

有效

• 申請號: 201510094547.7
• 申請日: 2015-03-04
• 公開（公告）號: CN104657559B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 李海陽;賀波勇;王華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明涉及一種設計地月自由返回軌道的簡單解析方法，屬于航空宇航科學與技術的航天器軌道動力學與控制領域。

背景技術

地月自由返回軌道是載人登月任務初期，為提高安全性而采用的飛行軌道，載人探月飛行器若采用該類軌道飛行，能在地月轉移入軌后，滑行至月球附近，以較低近月點高度繞月，并以一定再入條件返回地球大氣，期間不需任何額外軌道控制。傳統設計方法包括解析方法和數值方法兩大類。

在解析方法中，首先引入月球影響球概念，將地月轉移軌道分為地心段和月心段兩段二體軌道，即雙二體假設，然后通過尋找月球影響球入口點參數來達到設計整條軌道的目的。采用這種方法設計自由返回軌道通常需要提前大量打靶仿真，得到入口點參數解集范圍及參數基本特性，該方法常見于任務總體設計決策時使用。該方法中月球影響球拼接參數并不完全具有實際物理意義，雙二體假設動力學模型引起的模型誤差也比較大。

數值方法是目前為止公認的與實際飛行軌跡最接近的方法，動力學模型中一般采用JPL(Jet Propulsion Laboratory)星歷表求解日地月等相對位置關系，采用勒讓德多項式準確計算非球形攝動項，一般采用變步長積分器有效提升數值積分速度。由于載人登月自由返回軌道解的高敏感性和解集域的非光滑性，通常采用數值優化算法求解軌道，初值一般通過解析方法求解。這種串行優化求解的方法雖然能有效求解一條軌道，但計算所需時間和內存資源等不適宜多條軌道快速求解。

無論是傳統解析方法還是數值方法，在某些復雜約束條件下，都存在載人登月自由返回軌道解不收斂情況，即無法對自由返回軌道解存在性給予明確判斷。本發明提出一種基于圓柱型速度參數截面的地月自由返回軌道設計方法，既能給出地月自由返回軌道解存在性條件，也能采用該方法方便求解地月自由返回軌道。目前尚無公開文獻涉及此類方法。論述中提到一些名詞概念及坐標系等是本領域人員公知的知識，不一一進行詳述。

發明內容

本發明的目的是提供一種解析計算載人登月自由返回軌道的簡單方法。本方法首先給出地月轉移軌道圓柱型速度參數截面定義及特點說明，然后基于雙曲剩余速度環給出自由返回軌道解存在性分析方法，最后給出了自由返回軌道解求解策略。

本發明的技術方案如下:

第一步:白道相關坐標系定義

白道是月球繞地心公轉的軌道面。為清晰描述本發明方法步驟，先給出與白道面相關的三個坐標系定義：

(1)白道慣性系

包括地心白道系o_Ex_Ey_Ez_E和月心白道慣性系o_Lx_Ly_Lz_L，原點分別取在地心或者月心；坐標系方向定義參考某基準時刻t₀；x軸指向月球升交點方向，即圖1中P_M方向，對應t₀記為z軸指向軌道角動量方向，即圖1中H_M方向，對應t₀記為y軸與另外兩軸垂直，構成右手系，即圖中Q_M方向，對應t₀記為白道面與赤道面夾角記為ε_M。

(2)白道瞬時坐標系

包括地心白道瞬時系o_Exyz和月心白道瞬時系o_Lxyz，原點分別取在地心和月心；坐標系方向定義參考當前時刻t，x軸由地心指向月心方向，即圖1中r_M方向，位于P_M、Q_M構成的平面內；z軸指向軌道角動量方向，即圖1中H_M方向；y軸與另外兩周垂直，構成右手系。近似分析中可取P_M、Q_M、H_M分別與等同。r_M方向相對P_M的相位角度記為u_M。

(3)月心軌道慣性系