收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

深空探测中的轨道分析、设计与控制

喻圣贤  
【摘要】:本文以深空探测为背景,研究深空探测中与轨道相关的问题。根据目标天体的不同,研究方法也有所不同。本文主要有两部分:火星探测和小行星探测,它们分别代表大天体和小天体的探测,每一部分均涉及两种类型的轨道,即转移段轨道和环绕段轨道。 对于地球至火星的转移轨道,本文采用大推力转移和小推力转移两种手段进行研究。对于前者,由于火箭发射能力的限制,且从节省能量的角度,需要尽可能选择总耗费能量较小的时间窗口,然后利用经典的三段拼接方法得到简化力模型中的转移轨道,并给出各个变量之间的关系及其取值范围,以便能较快判断能否给出满足约束的轨道。对于满足约束的拼接轨道,利用微分修正法(即打靶法)获得实际力模型中的地火转移轨道。对于小推力转移轨道则有所不同,它对时间窗口的要求并不像大推力转移轨道那样严格,仅需要总转移时间合适即可。根据小推力转移轨道的特点,将整条轨道分成地心段、日心段和火心段三段,地心段和火心段的运行时间较长,因此采用以时间为优化指标的最优控制策略,通过对近似微分方程的求解,得到这个最优控制问题的近似解,从而将最优控制问题简化为计算量较小的轨道积分问题。日心段则采用燃料最优控制。针对每段的特点进行求解后,便可以通过调整时间变量将这三段轨道光滑地拼接起来,从而完成对小推力转移轨道的设计。 当探测器到达火星以后,便需要对环火轨道进行研究。火星与地球类似,是快自转行星,但火星引力场状态却与地球的状态有明显差别,其非球形引力位中的赤道椭率项J2,2接近于它的动力学扁率项J2,且其它谐系数也相对较大。因此在构造分析解的时候,联合项尤其是J2与J2,2的联合摄动不可忽视。除此之外,火星的两颗自然卫星距离火星较近,对于火星高轨卫星的影响不可忽视。而这两颗自然卫星没有像大行星那样完整的分析历表,这些均是本文需要解决的问题。文中推导了联合项摄动的分析公式和这两颗自然卫星的第三体摄动公式,建立了火星卫星的分析解,并将分析解应用到两颗自然卫星上,对公式进行简化和平滑掉短周期项后给出了平均历表的系数表达式,从而解决了所需要的两颗自然卫星的分析历表问题。将火星卫星分析解的结果和两颗自然卫星的分析历表与高精度的数值解对比,前者外推1-2d误差在500m的量级,而后者若要将误差控制在0(10-4)的量级,火卫一和火卫二的外推时间约为180d。 小行星探测一般为多目标多任务的探测,本文以三颗小行星为目标天体进行探测。由于小行星的引力范围较小,因此转移段的轨道设计相对于大行星较为简单,但涉及多颗目标天体,这便给最佳发射窗口的寻找带来一定的麻烦。本文按照约束条件和任务类型的特点,将整条轨道合理分成两段进行分别设计。对于小推力轨道的设计,先给出大推力转移轨道中消耗能量最小且转移时间适中的轨道,然后以小推力轨道替代,得到局部最优的方案。按照上述思想利用电推进和化学推进两种系统给出了两种满足约束的设计方案:全程电推进的轨道设计与化学推进和电推进相结合的轨道设计。本次设计方案的方法和软件同样适用于其它多目标深空轨道的设计,仅需要改变相应的参数即可。 除了飞越小行星以外,无论是环绕还是着陆小行星均需要研究小行星的伴飞轨道。而通常由于小行星质量太小、引力较弱,因此很难形成类似大行星卫星那样的环绕轨道。本文便针对伴飞弱引力小行星提出两种类型的伴飞轨道。第一种为小行星共线平动点附近Lissajous轨道和halo轨道;第二种为编队飞行轨道,直接伴飞小行星。由于这两种轨道与小行星的距离适中,因此不需要考虑小行星非球形引力摄动的影响,从而在对小行星资料了解不足的情况下可以作为中间任务轨道。文中首先给出这两种轨道的分析解,然后以分析解为初值,利用多点打靶法进行轨道修正得到实际力模型中的轨道。这两种轨道均是不稳定的,需要对其进行轨道控制。本文采用了小推力控制和太阳帆板控制两种手段,所用的优化控制方法为最优线性反馈控制。对于太阳帆板控制,给出如下两种控制策略:一是固定太阳帆的面质比改变它的俯仰角和偏航角,另一是固定太阳帆的俯仰角和偏航角改变而质比。结果表明对于这两种类型的中间任务轨道,上述控制方案均可行。对于太阳帆板控制,改变太阳帆板面积的控制策略只能使得控制后的轨道在标称轨道一定距离附近振荡,因此控制效果不如改变方向角的控制策略。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 杨维廉;击中月球的转移轨道研究[J];飞行力学;1998年04期
2 周文艳,杨维廉;月球探测器转移轨道的特性分析[J];空间科学学报;2004年05期
3 张振民,李立涛,杨涤;月球极轨探测器轨道方案设计[J];中国空间科学技术;2002年04期
4 李大耀;考虑地球扁率效应的两圆轨道之间的双共切最优转移[J];航天控制;1994年01期
5 何巍;徐世杰;;地-月低能耗转移轨道中途修正问题研究[J];航天控制;2007年05期
6 王向阳;欧空局的GTO上碎片消除方法研究工作[J];导弹与航天运载技术;1993年04期
7 ;一次性运载火箭再铸辉煌[J];中国航天;1999年11期
8 杨亚非;袁幸伟;;多摄动因素对火星探测器地-火轨道设计的影响[J];测试技术学报;2011年03期
9 杨维廉;;发射极月卫星的转移轨道研究[J];航天器工程;1997年03期
10 ;最新消息[J];国际太空;1999年11期
11 周文艳,杨维廉;月球探测器转移轨道的中途修正[J];宇航学报;2004年01期
12 韩潮,谢华伟;空间交会中多圈Lambert变轨算法研究[J];中国空间科学技术;2004年05期
13 何巍;徐世杰;;地月低能转移轨道设计方法研究[J];宇航学报;2006年05期
14 乔国栋;李铁寿;王大轶;;地月转移轨道自主导航算法研究[J];航天控制;2008年02期
15 李明涛;郑建华;;平动点任务转移轨道中途修正研究[J];空间科学学报;2010年06期
16 朱仁璋;从空间站起飞直接进入行星际转移轨道的可能性[J];中国空间科学技术;1991年06期
17 肖东;国外未来大型运载火箭发射能力比较[J];航天返回与遥感;1996年03期
18 乔国栋;倪茂林;李铁寿;;基于能观度分析的信息融合自主导航算法[J];宇航学报;2008年03期
19 李明涛;郑建华;于锡峥;高东;;约束条件下的Halo轨道转移轨道设计[J];宇航学报;2009年02期
20 杨学彬;马克茂;;拉格朗日平动点之间的转移轨道设计[J];航天控制;2011年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王亚敏;乔栋;崔平远;;彗星撞击任务能量最省转移轨道设计[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年
2 童科伟;刘伟;王俊峰;;地球-火星转移轨道设计分析[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第八届学术年会论文集(上篇)[C];2011年
3 赵遵辉;尚海滨;崔平远;;基于混合优化方法的小推力借力转移轨道设计与优化[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
4 王帅;尚海滨;朱圣英;崔平远;;行星际小推力转移轨道分层全局设计方法[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年
5 朱永生;李爽;;地球-火星转移轨道初步设计分析:以2015/2016窗口为例[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第八届学术年会论文集(上篇)[C];2011年
6 王亚敏;乔栋;崔平远;;从月球飞向小天体的转移轨道设计[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第八届学术年会论文集(上篇)[C];2011年
7 侯锡云;赵玉晖;刘林;;火星探测中的引力加速轨道[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年
8 姚郁;贾杰;;基于不变流形的平动点间转移轨道拼接条件的选择[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年
9 谢剑锋;李革非;;偏差轨道下地月转移轨道的再确定[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第二届学术会议论文集[C];2005年
10 朱毅麟;;载人火星航行方案初探[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第十四次学术会议论文集[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 白玉铸;载人登月轨道设计相关问题研究[D];国防科学技术大学;2010年
2 赵玉晖;深空探测中的轨道设计和轨道力学[D];南京大学;2012年
3 喻圣贤;深空探测中的轨道分析、设计与控制[D];南京大学;2013年
4 黄文德;载人登月中止轨道的特性分析与优化设计[D];国防科学技术大学;2011年
5 乔栋;深空探测转移轨道设计方法研究及在小天体探测中的应用[D];哈尔滨工业大学;2007年
6 李明涛;共线平动点任务节能轨道设计与优化[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2010年
7 张鹏宇;空间拦截最优轨道设计[D];哈尔滨工业大学;2009年
8 任远;星际探测中的小推力转移轨道设计与优化方法研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
9 张利宾;火箭上面级导航、中途修正与姿态控制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
10 胡正东;天基对地打击武器轨道规划与制导技术研究[D];国防科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田百义;小推力借力转移轨道设计与优化方法研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
2 朱永生;地球—火星转移轨道设计与优化技术研究[D];南京航空航天大学;2013年
3 于亮;基于不变流形的转移轨道设计与优化方法研究[D];解放军信息工程大学;2012年
4 郭彦余;深空探测任务小推力转移轨道设计与优化方法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
5 黄荣;探月转移轨道设计及解析预测—校正再入制导研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
6 樊炜;基于三体模型的转移轨道设计研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
7 高旭东;日地L2平动点任务转移轨道设计及优化[D];南京航空航天大学;2013年
8 罗红吉;火星探测器的轨道设计与优化[D];哈尔滨工业大学;2013年
9 崔琦;异面交会的轨道设计与制导方法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
10 于锡峥;IPS理论在探月节能轨道设计中的应用[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 李学梅;中国为印尼发射的卫星进入地球同步转移轨道[N];人民日报;2009年
2 记者 李学梅;中国为印尼发射的卫星:终于辗转入轨[N];新华每日电讯;2009年
3 邰举 薛严;韩首颗静止轨道卫星发射成功[N];科技日报;2010年
4 本报记者 付毅飞 陈瑜;专家解读“帕拉帕—D”为何没有进入预定轨道[N];科技日报;2009年
5 记者 赵亚辉;我国首颗直播卫星发射成功[N];人民日报;2006年
6 记者  何永晋;国际海射公司将进行今年第三次发射[N];科技日报;2006年
7 记者 田兆运;我国“中星—22号A”通信卫星发射成功[N];人民日报;2006年
8 记者 于莘明 通讯员 张喆 徐贞宇;我国成功发射“风云二号”06星[N];科技日报;2008年
9 记者 陈全育;中星6B通信卫星成功发射[N];中国航天报;2007年
10 记者 索阿娣;“长三乙”高精度发射“鑫诺六号”[N];中国航天报;2010年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978