[發(fā)明專利]一種地月L2點任務發(fā)射窗口設計方法

有效

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• 申請日: 2020-03-03
• 公開（公告）號: CN111460615B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發(fā)明（設計）人: 吳偉仁;周文艷;高珊;王大軼;張熇;孫驥;李飛;楊眉;張相宇;張艷;譚梅;孟占峰
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B64G1/24;G01C21/24
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 代麗

本發(fā)明公開了一種地月L2點任務發(fā)射窗口設計方法。本發(fā)明根據工程約束、任務需求和軌道設計情況，獲取窗口設計約束條件、軌道和任務重要參數等；然后同時對轉移段和使命段軌道進行約束條件相關的特性分析，分別篩選出滿足任務要求的發(fā)射窗口日期集合；最后求解兩者并集，生成相應日期下完整的標稱飛行軌道進行確認，得到最終的發(fā)射窗口設計結果。該方法可滿足工程任務對發(fā)射窗口的多約束需求。

技術領域

本發(fā)明涉及深空探測軌道設計技術領域，具體涉及地月系統L2平動點Halo軌道任務的發(fā)射窗口設計方法。

背景技術

平動點是第三體在受兩個大天體的萬有引力作用時，引力合力與第三體自身慣性力的動平衡點。地月系統L2平動點位于地月連線的延長線上，隨月球以相同公轉角速率圍繞地球旋轉，在該點附近運行的航天器能夠始終運行在月球背面上空。由于這一特殊的空間幾何特性，地月L2點在月球背面著陸探測任務、空間科學觀測等任務中具有重要的應用價值。目前，僅有美國和中國開展過地月L2點探測任務，其中我國的嫦娥四號任務通過發(fā)射鵲橋號中繼星至地月L2點的Halo軌道，建立地球與月球背面探測器的中繼通信鏈路，有效支持了月背著陸及巡視探測任務。

月球探測任務的發(fā)射窗口設計一般需要考慮諸如運載發(fā)射要求、光照和陰影條件等工程需求約束。對于環(huán)月軌道的探測任務而言，環(huán)月軌道的光照和陰影為周期性交替，除月食外陰影一般是受月球遮擋所致，光照陰影時長可根據軌道高度、β角等參數利用解析公式快速求解。而地月L2點附近的軌道由于特殊的空間幾何位置和軌道構型，光照和陰影的規(guī)律與環(huán)月軌道差異很大，其陰影是受到地球或月球遮擋而造成的，與初始軌道相位有一定相關性，但既無可用的解析計算公式，也不具有顯著的周期性，且持續(xù)時間也遠長于環(huán)月軌道，甚至可達數十小時，嚴重威脅航天器的在軌安全性。而在鵲橋號中繼星之前已開展的地月L2點探測任務中，由于均為拓展試驗任務，不涉及運載發(fā)射約束，同時由于在地月L2點運行時間不長，也未開展長期運行的陰影規(guī)律研究，因此地月平動點任務發(fā)射窗口設計方法并無先例可參照。

發(fā)明內容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種地月L2點任務發(fā)射窗口設計方法，通過對地月轉移軌道和Halo軌道分別進行特性分析和參數統計，篩選滿足工程任務需求的發(fā)射窗口。

本發(fā)明的地月L2點任務發(fā)射窗口設計方法，包括如下步驟：

步驟1，根據工程約束和任務需求，獲取發(fā)射窗口分析范圍、運載火箭對地月轉移軌道初始狀態(tài)的要求、航天器平臺對最長陰影時長的約束；

步驟2，根據軌道設計結果，獲取地月轉移軌道的終端參數、Halo軌道振幅參數、運行時長；

步驟3，利用地月轉移軌道的初始和終端參數、轉移時間，在發(fā)射窗口分析范圍內構造一組不同出發(fā)時間的地月轉移軌道，獲得其出發(fā)時刻的軌道根數；

步驟4，結合運載火箭對近地點幅角的要求，篩選出滿足要求的地月轉移軌道，獲得相應的發(fā)射日期集合；

步驟5，根據發(fā)射窗口分析范圍和轉移時間，計算得到初步的到達地月L2點軌道的時間范圍；

步驟6，根據Halo軌道的振幅參數、運行時長和到達時間范圍，生成一組不同初始相位的Halo軌道星歷；

步驟7，分析不同初始相位的Halo軌道在任務期間的光照陰影條件相關參數，結合航天器平臺對最長陰影時長的約束，篩選滿足要求的Halo軌道到達時間，并根據轉移時間反推出相應的發(fā)射日期集合；

步驟8，根據步驟4和步驟7的結果，選擇兩者并集內的發(fā)射日期，生成相應發(fā)射窗口的標稱軌道星歷，確認相關參數均可滿足任務要求，最終獲取滿足工程約束的發(fā)射窗口設計結果。

有益效果：

本發(fā)明將Halo軌道特性分析與發(fā)射窗口篩選相結合，通過對轉移軌道和使命軌道解耦并分別開展與約束條件相關的特性分析并需求規(guī)律，進而實現多約束條件下的窗口篩選工作。