[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于復(fù)雜約束下低能量小天體精確探測(cè)軌道轉(zhuǎn)移方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711264944.X
• 申請(qǐng)日: 2017-12-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108100307B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬棟;黃江川;杜燕茹;李翔宇;尚海濱;孟林智
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B64G1/10
• 分類(lèi)號(hào): B64G1/10;B64G1/24
• 代理公司: 北京理工正陽(yáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鮑文娟

1.一種用于復(fù)雜約束下低能量小天體精確探測(cè)軌道轉(zhuǎn)移方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一：確定探測(cè)軌道設(shè)計(jì)任務(wù)所需滿足的多種復(fù)雜非一致強(qiáng)耦合約束，建立多種復(fù)雜非一致強(qiáng)耦合約束與軌道設(shè)計(jì)參數(shù)的映射關(guān)系；

確定探測(cè)軌道設(shè)計(jì)任務(wù)所需滿足的多種復(fù)雜非一致強(qiáng)耦合約束，所述的多種復(fù)雜非一致強(qiáng)耦合約束包括考慮燃料約束、測(cè)控約束和飛行機(jī)動(dòng)狀態(tài)約束；首先考慮燃料約束，即所提供的速度增量有限，通過(guò)燃料質(zhì)量確定最大速度增量；其次需要滿足深空探測(cè)測(cè)控約束，即要求飛行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)探測(cè)器距離小于通信有效距離，通信無(wú)遮擋、地面可測(cè)控；最后需要滿足飛行機(jī)動(dòng)狀態(tài)約束，即轉(zhuǎn)移時(shí)間小于任務(wù)時(shí)間；所述的飛行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括變軌、修正、飛越；

步驟二：在質(zhì)心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立探測(cè)器動(dòng)力學(xué)方程；

定義太陽(yáng)為質(zhì)量為M₁主天體P₁，地球?yàn)橘|(zhì)量為M₂的主天體P₂，探測(cè)器P₃質(zhì)量為M₃；將P₁、P₂與P₃視為質(zhì)點(diǎn)，且P₁、P₂與P₃的質(zhì)量滿足關(guān)系M₁>M₂>>M₃；約束太陽(yáng)與地球的運(yùn)動(dòng)為圓運(yùn)動(dòng)，則建立起圓型限制性三體問(wèn)題；選擇太陽(yáng)與地球構(gòu)成的系統(tǒng)的質(zhì)心為原點(diǎn)建立質(zhì)心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；X-Y坐標(biāo)平面即兩個(gè)主天體相對(duì)運(yùn)動(dòng)平面，X軸方向由太陽(yáng)P₁質(zhì)心指向地球P₂質(zhì)心，Z軸方向與系統(tǒng)角速度方向相同，Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系；

選取特征長(zhǎng)度為主天體質(zhì)心間距離，特征質(zhì)量為主天體質(zhì)量之和M₁+M₂；無(wú)量綱化后的探測(cè)器P₃在質(zhì)心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的動(dòng)力學(xué)方程為，

其中：μ表示太陽(yáng)的引力常數(shù)，xyz表示探測(cè)器P₃在質(zhì)心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Oxyz下的位置矢量，表示探測(cè)器P₃在質(zhì)心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Oxyz下的速度矢量，表示探測(cè)器P₃在質(zhì)心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Oxyz下的加速度矢量；

步驟三：通過(guò)步驟二建立的線性化探測(cè)器動(dòng)力學(xué)方程提供初值，通過(guò)非線性降維方法和二階微分修正得到星歷模型下精確的擬周期軌道；

步驟四：基于步驟三得到的星歷模型下精確的擬周期軌道，采用擬流形擾動(dòng)法優(yōu)化獲得轉(zhuǎn)移軌道初值；

單值矩陣M為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ在一個(gè)軌道周期T處的取值，即：

M＝Φ(t＝T) (9)

單值矩陣的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量決定擬周期軌道附近的運(yùn)動(dòng)特征，其穩(wěn)定與不穩(wěn)定特征向量可決定受到初始擾動(dòng)時(shí)的發(fā)散或收斂；擬流形擾動(dòng)法利用單值矩陣M不穩(wěn)定特征向量作為擾動(dòng)量施加的方向，使得探測(cè)器遠(yuǎn)離初始軌道并到達(dá)目標(biāo)小行星附近；施加的擾動(dòng)速度矢量ΔV表達(dá)式為，

ΔV＝λu (10)

其中：λ速度擾動(dòng)量大小，u為不穩(wěn)定特征向量速度分量的單位向量；針對(duì)不同的探測(cè)器從擬周期軌道分離的時(shí)刻t₀，以速度擾動(dòng)量大小λ為優(yōu)化變量得到轉(zhuǎn)移軌道與目標(biāo)小天體相距最近的距離D與相距最近的時(shí)刻t_f，從而為轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)初值提供依據(jù)；

即探測(cè)器從擬周期軌道分離的時(shí)刻t₀、速度擾動(dòng)量大小λ為采用擬流形擾動(dòng)法優(yōu)化獲得轉(zhuǎn)移軌道初值；

步驟五：針對(duì)步驟一確定的多種復(fù)雜非一致強(qiáng)耦合約束對(duì)步驟四得到的轉(zhuǎn)移軌道初值進(jìn)行修正，獲得精確的低能量轉(zhuǎn)移軌道。