[發明專利]一種行星際多體系統小行星探測最優多脈沖轉移方法

在審

• 申請號: 201711264788.7
• 申請日: 2017-12-05
• 公開（公告）號: CN107992682A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 喬棟;黃江川;胡勃欽;李翔宇;孟林智;王曉磊
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;B64G1/24
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 鮑文娟

技術領域

本發明涉及一種行星際多體系統小行星探測最優多脈沖轉移方法，尤其涉及一種適用于非自治系統多約束條件下的日地平動點小行星探測最優多脈沖軌道轉移方法，屬于航空航天技術領域。

背景技術

從三體系統平動點附近軌道如日地L2點Lissajous軌道向目標天體的轉移軌道設計，通常采用搜索平動點軌道不穩定流形管與目標天體軌道的交點來實現。然而在真實條件下，探測器受到多體引力擾動作用和軌道偏心率影響，動力學環境與理想的圓形限制性三體系統(自治系統)差異巨大，非線性強，運動擾動敏感且存在混沌現象。因此基于三體系統不變流形設計的小行星轉移軌道在真實環境下發散，無法滿足任務要求。

針對此類從日地L2點Lissajous軌道向小天體轉移的軌道設計問題，前人進行了如下研究。在已發展的關于日地平動點小行星探測軌道設計方法中在先技術[1](參見Wang Y M,Qiao D,Cui P Y.Trajectory design for the transfer from the Lissajous orbit of Sun-Earth system to asteroids.ICMAE 2013,July 20-21,2013,Moscow,Russia)提出了一種基于擾動的小行星飛越軌道設計方法。該方法利用平動點附近軌道不穩定的特性，在其不穩定特征矢量方向施加小擾動，通過優化擾動量大小，來獲得對目標小行星的最小距離飛越高度。該方法僅采用單次脈沖，無法保證軌道的能量最優性。

在先技術[2](參見Gao Y.Near-Earth asteroid flyby trajectories from the Sun-Earth L2for Chang’E-2’s extended flight.Acta Mechanica Sinica,2013,29(1):123-131)結合改進的不變流形與全局優化算法，獲得了兩脈沖的飛越軌道。該方法同樣在探測器初始軌道——日地L2點Lissajous軌道不穩定特征矢量方向施加第一次脈沖，優化施加第一次脈沖的大小，第二次脈沖的時間和飛越小行星的時間。通過求解兩點邊值問題，獲得所給約束條件下的全局最優轉移方案。然而通過全局優化方法得到第二次機動可能并不是最優的結果，存在進一步優化的空間。

發明內容

本發明公開的一種行星際多體系統小行星探測最優多脈沖轉移方法要解決的技術問題是，實現多天體強擾動非線性環境下探測器從日地L2點Lissajous軌道至目標小行星的最優多脈沖軌道轉移，并為得到速度增量更小的小行星飛越軌道提供依據。本發明具有如下優點：(1)速度增量小，采用主矢量方法對轉移軌道最優性進行判斷，能夠得到能量最優的多脈沖轉移軌道；(2)適用性好，能夠針對不同的探測器目標和不同的出發時間進行優化設計，適用于復雜任務約束的軌道轉移問題；(3)收斂性好，利用多級并行微分修正對軌道在真實星歷下進行修正，保證軌道在強擾動非線性動力學環境下的收斂性。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的一種行星際多體系統小行星探測最優多脈沖轉移方法，首先在日地質心旋轉系下建立探測器動力學方程，即高精度動力學模型。根據任務約束選定目標小行星并給出探測器在日地質心旋轉坐標系下的初始狀態，采用擾動法獲得探測器單脈沖小行星飛越軌道。利用優化算法得到飛越距離最小的單脈沖小行星飛越轉移軌道。基于主矢量理論，進行多脈沖轉移軌道設計，得到滿足主矢量條件的最優多脈沖轉移軌道。將得到的最優多脈沖轉移軌道，帶入高精度動力學模型遞推，利用多級并行微分修正方法對轉移軌道進行修正，實現多天體強擾動非線性環境下小行星探測的精確轉移軌道。

本發明公開的一種行星際多體系統小行星探測最優多脈沖軌道轉移方法，包括如下步驟：

步驟一：在日地質心旋轉系下建立探測器動力學模型。

探測器在日地L2點Lissajous軌道運行所處的動力學環境包括各天體攝動及太陽光壓攝動，在日地動力學模型下進行建模，采用日地質心旋轉坐標系，探測器的運動方程為：

方程(1)即為高精度動力學模型。

其中：

其中：XYZ和分別表示探測器在日地質心旋轉系下的位置坐標和速度坐標；a^SRP,a^Three分別表示太陽光壓和其他天體的攝動加速度，μ表示無量綱化后的天體引力常數，使用參數表示質量較小的天體，如因此兩個大天體的質量分別為：