[发明专利]一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法

摘要

本发明公开的一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，属于航空航天领域。本发明在太阳‑地球质心旋转系下建立探测器动力学方程；将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的惯性系下，并表示成轨道要素形式；给定探测器的速度增量约束和转移时间约束，求解最优两脉冲转移轨道，计算满足约束的小行星探测目标最大轨道根数范围；根据小行星探测目标参数范围，对小行星数据库中的小行星探测目标进行筛选，排除参数范围外的小行星探测目标；剩余小行星探测目标为满足多重约束条件的小行星探测目标，并根据探测任务需要完成精确轨道设计，得到相应的轨道转移机会，完成相应小行星探测任务。本发明具有筛选速度快、且不受发射时间影响的优点。

主权项

1.一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：在太阳‑地球质心旋转系下建立探测器动力学方程；步骤二：将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的惯性系下，并表示成轨道根数形式；步骤三：给定探测器的速度增量约束△vmax，转移时间约束t，求解最优两脉冲转移轨道，计算满足速度增量约束和转移时间约束的小行星探测目标最大轨道根数范围，小行星探测目标最大轨道根数范围即为小行星探测目标参数范围；步骤四：根据步骤三中计算得到的小行星探测目标参数范围，对小行星数据库中的小行星探测目标进行筛选，排除参数范围外的小行星探测目标；剩余小行星探测目标为满足多重约束条件的小行星探测目标；步骤一具体实现方法为，以太阳‑地球系统的质心为坐标系的原点建立太阳‑地球质心旋转系，其中X轴与太阳，地球连线重合，由太阳指向地球，Z轴与地球公转的角速度方向重合，Y轴与X，Z轴垂直构成右手坐标系；选择单位长度为日地距离，单位角速度为1，单位质量为日地系统的总质量，探测器在该日地系统下的动力学方程表示为，其中：μ＝m₂/(m₁+m₂)表示系统的质量系数，m₁为太阳的质量，m₂为行星的质量，为探测器与太阳的距离，为探测器与行星的距离；由于探测器的动力学方程建立在日地质心旋转系下，适用于日地平衡点附近的运动，能够解决运动状态受限的小行星探测目标筛选；步骤二具体实现方法为，探测器在旋转系下的位置速度为[rf,vf]，太阳在旋转系下的位置为rs＝[‑μ,0,0]，速度为vs＝[0,0,0],地球在旋转系下的位置为re＝[1‑μ,0,0]，速度为ve＝[0,0,0],则探测器在旋转系下相对太阳的距离为rss＝rf‑rs，相对速度为vss＝vf，若旋转系相对惯性系的旋转矩阵为Rt，根据地球星历确定；则探测器在日心惯性系下的位置ri，速度vi表示为，ri＝Rt·rss      (2)vi＝Rt·(vss+ω×rss)      (3)其中ω＝[0,0,1]T为旋转系相对惯性系的角速度；根据二体运动理论，将(r_i,v_i)表示为轨道根数形式(a,e,i,Ω,w,M)，其中a为轨道半长轴，e为轨道偏心率，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，w为近日点幅角，M为平近点角；由于在旋转系下，探测器在平衡点附近运动相对日地近似静止，因此探测器在日心系下的轨道根数受地球摄动影响，所述的影响包括轨道半长轴a、轨道偏心率e和轨道倾角i在均值附近呈周期性波动，所述的影响还包括升交点赤经Ω、近日点幅角w单调变化但由于轨道近圆且倾角接近0，因此能够忽略升交点赤经Ω和近日点幅角w对轨道运动的影响；同时轨道的平近点角M随时间变化，因此探测器的二体运动近似用轨道根数的均值表示即实现将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的惯性系下，并表示成轨道要素形式；步骤三具体实现方法为，小行星探测目标的轨道根数为(aa,ea,ia,Ωa,wa,Ma)，确定转移时间t，通过求解Lambert问题能够得到最优两脉冲轨道，若探测器从平衡点轨道出发所需速度增量为△v1,小行星交会所需速度增量为△v2，总速度增量△v＝△v1+△v2<△vmin则表明该小行星探测目标存在潜在的转移机会，否则说明小行星探测目标不可达；由于探测器的运动除平近点角M外基本保持不变，因此选择优化变量(M,aa,ea,ia,Ωa,wa,Ma,t)，优化的目标函数分别为小行星轨道半长轴的最大值max(aa),轨道半长轴的最小值min(aa),轨道偏心率的最大值max(ea),轨道倾角的最大值max(ia)，约束为总速度增量△v<△vmin，考虑到三体摄动对速度增量的影响，将速度增量约束表示为(1+k)△vmax,保证探测目标不会被遗漏；通过优化方法得到可达的小行星探测目标参数范围aa∈[min(aa),max(aa)]，ea∈[0,max(ea)]，ia∈[0,max(ia)]，Ωa,wa,Ma没有约束；所述的轨道根数包括轨道半长轴a，轨道偏心率e，轨道倾角i，升交点赤经Ω，近日点幅角w，平近点角M。