[发明专利]一种等间隔发射的多约束地月转移轨道簇搜索方法

说明书

技术领域

本发明涉及轨道设计和深空探测领域，特别涉及一种等间隔发射的月球探测多约束地月转移轨道簇搜索方法。

背景技术

月球探测是初期空间探测的重点。月球是地球唯一的天然卫星，也是距地球最近的一个星球。地月间的平均距离约为38万公里，与其他星球相比，如此近的距离使得月球很自然的成为人类向外层空间转移的第一个目标，也是人类飞向其他星球的一个重要中转站。二十世纪90年代以后多项任务和计划均表明世界又掀起了月球探测的热潮，我国也于2004年启动了“嫦娥工程”探月计划，2013年12月嫦娥3号携玉兔探测器成功登月。

目前针对从地球发射的月球探测器轨道设计在理论和实践中已经发展的比较成熟。但由于已有研究表明大椭圆停泊轨道探测器上地月转移轨道入轨窗口是零窗口，也就意味着，如果在发射前发生意外状况错过了发射窗口，则只有推迟半个月左右才会再有发射机会，这对发射场的准备工作提出了非常苛刻的要求。因此提出了新需求，即能否在同一天给出多个发射窗口，即使在发射前发生意外状况错过了发射窗口，也能在这天一定时间后重新获得发射机会。通常运载火箭的发射射向和滑行时间通常具有一定的调整能力，充分利用这一特点，设计合适的搜索方法，就能够快速搜索出同一个发射日内多条等发射时间间隔的满足任务约束的精确地月转移轨道。充分利用对发射射向和滑行时间的调整能力，可以在同一个发射日内给出多个满足任务要求的发射窗口，降低发射场的保障难度，保证任务顺利执行。

发明内容

目前，求解摄动条件下的地月转移轨道问题还没有很好的解析方法，一般需要借助数值计算方法寻求其数值解。摄动解的求解过程是一个复杂的迭代、搜索过程。为了兼顾轨道搜索的快速和精确性，在简化条件下，可以采用解析公式进行求解，得到的解析解视作摄动解的一个近似值，并作为其求解迭代过程的初值，加速摄动解的求解过程。具体方法为：轨道初始设计就是利用基于改进圆锥曲线拼接法的地月转移轨道计算，在简单力学模型下，根据地球、月球和探测器之间的空间几何关系和轨道运动学约束，快速计算得到地月转移轨道的轨道参数初值，作为精确轨道设计的初值。轨道精确设计是在轨道初步设计结果的基础上，利用高精度摄动力计算模块和高精度轨道积分模块，采用轨道精确搜索算法进行轨道精确设计。为了实现在考虑多个近月点约束条件下(如近月点高度、相对月球轨道倾角等)，通过调整射向、滑行时间、远地点高度等多个参数实现满足近月约束的地月转移轨道设计，需要采用快速高效的轨道搜索算法进行实现。

本发明提供一种等间隔发射的多约束地月转移轨道簇搜索方法，用于设计一个发射日内n条等发射时间间隔的满足多约束条件的地月转移轨道簇。

本发明为多搜索变量多目标函数的搜索过程，通过内外两层搜索完成。内层搜索包含单条轨道初步搜索和精确搜索。初步轨道的搜索算法采用模拟退火(SA)和单纯形算法(SM)的混合优化策略，即模拟退火单纯形混合算法(SASM)。精确轨道搜索主要采用类微分改正算法(LDC)。先基于改进圆锥曲线拼接法进行轨道初步设计搜索，快速计算得到地月转移轨道的轨道参数初值，再采用轨道精确搜索算法进行轨道精确设计，得到满足约束条件的地月轨道。外层搜索完成等间隔发射时间的连续多条轨道搜索，最终得到n条等发射间隔的满足多约束条件的地月转移轨道。

本发明的技术方案是：

一种等间隔发射的多约束地月转移轨道簇搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设定地月转移轨道数量和发射时间间隔；

S2：设定边界约束条件和对应的轨道搜索收敛条件；

所述边界约束条件包括近月点约束和近地点约束，近月点约束包括近月点高度h_p和近月点倾角i_L；近地点约束包括运载火箭发射日期t₀，发射射向的可调整范围[A₁,A₂]和自由滑行时间的可调整范围[t₁,t₂]；

所述轨道搜索收敛条件包括等发射时间间隔搜索收敛区间ΔT、近月点高度搜索收敛区间Δh_p和近月点倾角搜索收敛区间Δi_L；

S3：内层搜索；

S3.1进行内层单条地月转移轨道初步设计

S3.1.1地月转移轨道初步设计模型

采用圆锥曲线拼接法，采用双二体假设模型，以月球影响球为边界，通过入口点B(探测器轨道与月球影响球的交点，这里设为B点)进行轨道拼接，建立入口点分别相对于地球和月球的关系式；