[发明专利]一种用于复杂约束下低能量小天体精确探测轨道转移方法有效

专利信息
申请号: 201711264944.X 申请日: 2017-12-05
公开(公告)号: CN108100307B 公开(公告)日: 2018-12-21
发明(设计)人: 乔栋;黄江川;杜燕茹;李翔宇;尚海滨;孟林智 申请(专利权)人: 北京理工大学
主分类号: B64G1/10 分类号: B64G1/10;B64G1/24
代理公司: 北京理工正阳知识产权代理事务所(普通合伙) 11639 代理人: 鲍文娟
地址: 100081 *** 国省代码: 北京;11
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摘要: 发明公开的一种用于复杂约束下低能量小天体精确探测轨道转移方法,属于航空航天技术领域。本发明首先确定探测轨道设计任务所需满足的多种复杂非一致强耦合约束,建立多种复杂非一致强耦合约束与轨道设计参数的映射关系;在质心旋转坐标系下建立探测器动力学方程;通过建立的线性化探测器动力学方程提供初值,采用非线性降维方法和二阶微分修正得到星历模型下精确的拟周期轨道;基于星历模型下精确的拟周期轨道,采用拟流形扰动法优化获得转移轨道初值;针对多种复杂非一致强耦合约束对得到的转移轨道初值进行修正,获得精确的低能量转移轨道。本发明具有效率高、收敛性好、转移所需能量小的优点。
搜索关键词: 探测轨道 转移轨道 低能量 强耦合 动力学方程 拟周期轨道 复杂约束 小天体 探测器 星历 航空航天技术 修正 非线性降维 旋转坐标系 轨道设计 映射关系 扰动法 收敛性 线性化 二阶 流形 质心 优化
【主权项】:
1.一种用于复杂约束下低能量小天体精确探测轨道转移方法,其特征在于:包括如下步骤,步骤一:确定探测轨道设计任务所需满足的多种复杂非一致强耦合约束,建立多种复杂非一致强耦合约束与轨道设计参数的映射关系;确定探测轨道设计任务所需满足的多种复杂非一致强耦合约束,所述的多种复杂非一致强耦合约束包括考虑燃料约束、测控约束和飞行机动状态约束;首先考虑燃料约束,即所提供的速度增量有限,通过燃料质量确定最大速度增量;其次需要满足深空探测测控约束,即要求飞行关键节点探测器距离小于通信有效距离,通信无遮挡、地面可测控;最后需要满足飞行机动状态约束,即转移时间小于任务时间;所述的飞行关键节点包括变轨、修正、飞越;步骤二:在质心旋转坐标系下建立探测器动力学方程;定义太阳为质量为M1主天体P1,地球为质量为M2的主天体P2,探测器P3质量为M3;将P1、P2与P3视为质点,且P1、P2与P3的质量满足关系M1>M2>>M3;约束太阳与地球的运动为圆运动,则建立起圆型限制性三体问题;选择太阳与地球构成的系统的质心为原点建立质心旋转坐标系;X‑Y坐标平面即两个主天体相对运动平面,X轴方向由太阳P1质心指向地球P2质心,Z轴方向与系统角速度方向相同,Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系;选取特征长度为主天体质心间距离,特征质量为主天体质量之和M1+M2;无量纲化后的探测器P3在质心旋转坐标系的动力学方程为,其中:μ表示太阳的引力常数,xyz表示探测器P3在质心旋转坐标系Oxyz下的位置矢量,表示探测器P3在质心旋转坐标系Oxyz下的速度矢量,表示探测器P3在质心旋转坐标系Oxyz下的加速度矢量;步骤三:通过步骤二建立的线性化探测器动力学方程提供初值,通过非线性降维方法和二阶微分修正得到星历模型下精确的拟周期轨道;步骤四:基于步骤三得到的星历模型下精确的拟周期轨道,采用拟流形扰动法优化获得转移轨道初值;单值矩阵M为状态转移矩阵Φ在一个轨道周期T处的取值,即:M=Φ(t=T)                     (9)单值矩阵的特征值对应的特征向量决定拟周期轨道附近的运动特征,其稳定与不稳定特征向量可决定受到初始扰动时的发散或收敛;拟流形扰动法利用单值矩阵M不稳定特征向量作为扰动量施加的方向,使得探测器远离初始轨道并到达目标小行星附近;施加的扰动速度矢量ΔV表达式为,ΔV=λu                     (10)其中:λ速度扰动量大小,u为不稳定特征向量速度分量的单位向量;针对不同的探测器从拟周期轨道分离的时刻t0,以速度扰动量大小λ为优化变量得到转移轨道与目标小天体相距最近的距离D与相距最近的时刻tf,从而为转移轨道设计初值提供依据;即探测器从拟周期轨道分离的时刻t0、速度扰动量大小λ为采用拟流形扰动法优化获得转移轨道初值;步骤五:针对步骤一确定的多种复杂非一致强耦合约束对步骤四得到的转移轨道初值进行修正,获得精确的低能量转移轨道。
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