[發(fā)明專利]基于行星借力的水星交會脈沖軌道優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910595845.2
• 申請日: 2019-07-03
• 公開（公告）號: CN110489781B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭藝裕;李綠萍;黃欣;宋效正
• 申請（專利權(quán)）人: 上海衛(wèi)星工程研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/15
• 代理公司: 上海段和段律師事務(wù)所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

本發(fā)明公開了一種基于行星借力的水星交會脈沖軌道優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟：建立平面內(nèi)橢圓型的地球、金星和水星解析星歷模型與相位自由軌道模型，設(shè)定探測器從地球出發(fā)后，通過對金星進(jìn)行2次借力到達(dá)水星；在一定的范圍內(nèi)離散化發(fā)射相位和發(fā)射速度形成一系列網(wǎng)格點，以每個網(wǎng)格點為初始條件計算地球到水星的交會軌道，繪制水星交會速度等高線圖；利用水星交會速度等高線圖，選取最優(yōu)發(fā)射相位和發(fā)射速度，利用行星解析星歷模型，計算得到地球到水星的交會軌道。本發(fā)明基于行星相位自由軌道模型提出的一種網(wǎng)格化優(yōu)化方法，顯著地降低了水星交會脈沖軌道優(yōu)化設(shè)計難度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及深空探測軌道技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于行星借力的水星交會脈沖軌道優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)

行星借力是一種行星際轉(zhuǎn)移設(shè)計常用的軌道技術(shù)，可有效地降低燃料預(yù)算，在深空探測領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。水星探測包括飛越探測、環(huán)繞探測以及著陸探測等方式，都要求探測器與水星的交會速度必須足夠小以滿足任務(wù)設(shè)計要求。然而，在太陽引力的作用下，探測器飛向水星的脈沖軌道轉(zhuǎn)移是一個加速運(yùn)動的過程，必須對探測器進(jìn)行制動以保證交會速度滿足設(shè)計要求。行星借力是有效解決水星交會軌道設(shè)計的有效技術(shù)，但是由于水星靠近太陽，軌道周期短且呈現(xiàn)明顯的橢圓形狀，因此其交會軌道帶有多次借力、多圈轉(zhuǎn)移的特征，這給水星交會脈沖軌道的優(yōu)化設(shè)計帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)多數(shù)依賴于基于群智能算法的數(shù)值優(yōu)化方法進(jìn)行水星交會脈沖軌道設(shè)計，采用實數(shù)型、離散型和二進(jìn)制型等混合整數(shù)型變量建立優(yōu)化模型，對優(yōu)化算法提出很高的性能要求。然而此類技術(shù)的優(yōu)化過程基本上是“摸黑”搜索最優(yōu)軌道，缺乏對水星交會軌道機(jī)理的認(rèn)識和利用，因而存在計算量大、收斂困難等缺點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對水星交會脈沖軌道優(yōu)化設(shè)計，提出一種由發(fā)射相位和發(fā)射速度描述的網(wǎng)格化設(shè)計方法，解決發(fā)射相位、借力天體相位以及水星交會相位的相對相位優(yōu)化問題，為水星交會脈沖軌道的快速優(yōu)化設(shè)計與分析提供有益的參考。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于行星借力的水星交會脈沖軌道優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟：

步驟1、建立平面內(nèi)橢圓型的地球、金星和水星解析星歷模型與相位自由軌道模型，設(shè)定探測器從地球出發(fā)后，通過對金星進(jìn)行2次借力到達(dá)水星；

步驟2、在一定的范圍內(nèi)離散化發(fā)射相位和發(fā)射速度形成一系列網(wǎng)格點，以每個網(wǎng)格點為初始條件計算地球到水星的交會軌道，繪制水星交會速度等高線圖；

步驟3、利用水星交會速度等高線圖，選取最優(yōu)發(fā)射相位和發(fā)射速度，然后利用步驟1中的行星解析星歷模型，計算得到地球到水星的交會軌道。

優(yōu)選地，步驟1具體包括：

步驟101：以某一歷元時刻的軌道根數(shù)為基準(zhǔn)，設(shè)定地球、金星和水星的軌道傾角為零，建立平面內(nèi)橢圓型的行星解析星歷模型；

步驟102：在該星歷模型的基礎(chǔ)上，假設(shè)任意時刻行星可在其軌道上任意點出現(xiàn)，構(gòu)建以行星平近點角為獨立變量的行星相位自由軌道模型；

步驟103：設(shè)定借力序列為地球-金星-金星-水星，其中第1次金星借力采用1:1共振飛越，第2次金星借力按照最低允許高度300 km飛越。

優(yōu)選地，步驟2具體包括：

步驟201：假定發(fā)射速度與地球速度相反，在一定的范圍內(nèi)對發(fā)射相位和發(fā)射速度進(jìn)行離散化，得到一系列網(wǎng)格點；

步驟202：以每個網(wǎng)格點為初始條件，利用行星相位自由軌道模型和探測器與行星軌道相交算法計算地球到金星的轉(zhuǎn)移軌道，實現(xiàn)對金星的1:1共振借力；利用行星共振借力軌道算法計算和行星借力模型，計算金星到金星的轉(zhuǎn)移軌道以及金星到水星的轉(zhuǎn)移軌道，獲得水星交會速度；

步驟203：完成所有網(wǎng)格點對應(yīng)的轉(zhuǎn)移軌道計算，繪制水星交會速度等高線圖。

優(yōu)選地，步驟3具體包括：