[發明專利]一種用于復雜約束下低能量小天體精確探測軌道轉移方法

有效

• 申請號: 201711264944.X
• 申請日: 2017-12-05
• 公開（公告）號: CN108100307B
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 喬棟;黃江川;杜燕茹;李翔宇;尚海濱;孟林智
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B64G1/10
• 分類號: B64G1/10;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

本發明公開的一種用于復雜約束下低能量小天體精確探測軌道轉移方法，屬于航空航天技術領域。本發明首先確定探測軌道設計任務所需滿足的多種復雜非一致強耦合約束，建立多種復雜非一致強耦合約束與軌道設計參數的映射關系；在質心旋轉坐標系下建立探測器動力學方程；通過建立的線性化探測器動力學方程提供初值，采用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；基于星歷模型下精確的擬周期軌道，采用擬流形擾動法優化獲得轉移軌道初值；針對多種復雜非一致強耦合約束對得到的轉移軌道初值進行修正，獲得精確的低能量轉移軌道。本發明具有效率高、收斂性好、轉移所需能量小的優點。

技術領域

本發明涉及一種用于復雜約束下低能量小天體精確探測軌道轉移方法，尤其涉及適用于考慮燃料約束，測控約束和飛行機動狀態約束的小天體低能量轉移軌道實現方法，屬于航空航天技術領域。

背景技術

小天體富含的礦物質可成為人類開采的重要來源，其蘊含的有機物也將為生命起源提供直接信息與見解。因此小天體探測已經在多個航天大國的深空探測任務中取得了不同程度的進展，已成為未來世界航天發展的新方向。

在已發展的關于探測器小行星探測軌道設計方法中在先技術[1](參見：喬棟，崔祜濤，崔平遠.小行星探測最優兩脈沖交會軌道設計與分析[J].宇航學報2005，26(3):362-367)給出了小天體探測中任意兩個非共面非共軸橢圓軌道之間的最優兩脈沖轉移方法。在先技術[2](參見：李九天，羅亞中，唐國金.小行星探測多脈沖交會軌道多目標優化[J].國防科技大學學報，2011，33(3):5-9.)基于Lambert交會算法建立了包含地球逃逸軌道和日心轉移軌道的多脈沖交會軌道，并以燃料消耗最小和轉移時間最短為優化變量，從而對小行星探測軌道進行優化設計。在先技術[3](參加：陳楊，寶音賀西，李俊峰.我國小行星探測目標分析與電推進軌道設計[J].中國科學物理學力學天文學，2011，(09):1104-1111)采用間接法求解燃料最優控制問題最終得到小天體探測小推力的最優軌跡。對于上述小天體探測任務軌道設計方法均從地球出發，不適用與平衡點出發的探測軌道設計，且僅能對少量約束進行考慮，不能確保滿足工程實踐任務中的不同的強耦合約束。

發明內容

本發明公開的一種用于復雜約束下低能量小天體精確探測軌道轉移方法要解決的技術問題是，以滿足多種復雜非一致強耦合約束為前提，實現多約束低能量小天體精確探測軌道轉移，具有效率高、收斂性好、轉移所需能量小的優點。所述的多種復雜非一致強耦合約束包括考慮燃料約束，測控約束和飛行機動狀態約束。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的一種用于復雜約束下低能量小天體精確探測軌道轉移方法，首先確定探測軌道設計任務所需滿足的多種復雜非一致強耦合約束，建立多種復雜非一致強耦合約束與軌道設計參數的映射關系。在質心旋轉坐標系下建立探測器動力學方程。通過建立的線性化探測器動力學方程提供初值，采用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。基于星歷模型下精確的擬周期軌道，采用擬流形擾動法優化獲得轉移軌道初值。針對多種復雜非一致強耦合約束對得到的轉移軌道初值進行修正，獲得精確的低能量轉移軌道。

本發明公開的一種用于復雜約束下低能量小天體精確探測軌道轉移方法，包括如下步驟：

步驟一：確定探測軌道設計任務所需滿足的多種復雜非一致強耦合約束，建立多種復雜非一致強耦合約束與軌道設計參數的映射關系。

確定探測軌道設計任務所需滿足的多種復雜非一致強耦合約束，所述的多種復雜非一致強耦合約束包括考慮燃料約束、測控約束和飛行機動狀態約束。首先考慮燃料約束，即所提供的速度增量有限，通過燃料質量確定最大速度增量。其次需要滿足深空探測測控約束，即要求飛行關鍵節點探測器距離小于通信有效距離，通信無遮擋、地面可測控。最后需要滿足飛行機動狀態約束，即轉移時間小于任務時間。所述的飛行關鍵節點包括變軌、修正、飛越。

步驟二：在質心旋轉坐標系下建立探測器動力學方程。