專利名稱：基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法，特別適用于流形接近的相鄰行星軌道間的轉(zhuǎn)移，屬于航天器軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方式的高燃料消耗嚴(yán)重制約著深空探測(cè)的快速發(fā)展，因此利用動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移的技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，特別是借用不變流形進(jìn)行轉(zhuǎn)移可以有效降低能量的消耗。借用不變流形的原理為合理的利用三體模型中主天體的長(zhǎng)期攝動(dòng)作用，從而有效的改變了軌道的能量。然而不變流形是一系列自然發(fā)生軌道的集合，至今無(wú)法給出簡(jiǎn)易的描述方法，如何利用不變流形進(jìn)行轉(zhuǎn)移從而降低能量消耗是當(dāng)前流形應(yīng)用中的一大難題。目前這方面的研究多針對(duì)同一系統(tǒng)下的轉(zhuǎn)移或大質(zhì)量比系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)移，利用不變流行進(jìn)行行星軌道之間轉(zhuǎn)移的研究很少。行星間借用不變流形進(jìn)行轉(zhuǎn)移涉及到多個(gè)天體，而不變流形的描述通常只能在三體系統(tǒng)下進(jìn)行，故需要同時(shí)考慮多個(gè)系統(tǒng)以及系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換，無(wú)法簡(jiǎn)單套用前人方法完成軌道的設(shè)計(jì)。因此如何快速有效解算出基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移軌道關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率是當(dāng)前科技人員關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
在已發(fā)展的借用不變流形的異行星軌道間轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法中，在先技術(shù)[I] (Topputo F,Vasile M, Bernelli-Zazzera F. Low energyinterplanetary transfers exploiting invariant manifolds of therestricted three-body problem[J]. Journal of the AstronauticalSciences, 2005，53:353-372.)，針對(duì)低能量行星際轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題，結(jié)合龐加萊映射給出了表征出發(fā)不變流形與目標(biāo)不變流形連接難易程度的函數(shù)，從而簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)的尋找問(wèn)題；隨后，利用全局搜索算法和局部?jī)?yōu)化算法對(duì)初始結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。由于搜索過(guò)程為首先得到連接點(diǎn)后逆推到行星附近，并在近拱點(diǎn)施加脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)閳A軌道，事先無(wú)法得知最終優(yōu)化結(jié)果中環(huán)繞軌道的半徑，故該方法無(wú)法應(yīng)用于固定軌道間的轉(zhuǎn)移。
在先技術(shù)[2](Mingotti G, Topputo F, Bernelli-Zazzera F. Earth-Mars transfers with ballistic escape and low-thrust capture[J]. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 2011, 110:169-188.)，針對(duì)結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)以及高比沖小推進(jìn)系統(tǒng)的地火轉(zhuǎn)移問(wèn)題，首先考慮由地球逃逸的脈沖僅為切向，利用龐加萊映射給出了脈沖逃逸軌道的確定方法，該方法也適用于火星捕獲軌道的確定；然后，利用直接法將小推力轉(zhuǎn)移軌道的優(yōu)化轉(zhuǎn)換為一個(gè)多參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，并引入多重打靶法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解。該方法能夠應(yīng)用于借用不變流形的行星際固定軌道間轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)問(wèn)題，但由于逃逸的脈沖為切向的，人為的縮小了脈沖的設(shè)計(jì)范圍，且沒(méi)有考慮不變流形的優(yōu)化，很難確定出最優(yōu)的逃逸軌道。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法無(wú)法選擇最優(yōu)的不變流形及全局最優(yōu)的軌道轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)， 結(jié)合龐加萊映射及等高線圖法，提出了一種基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明方法首先給出一種脈沖消耗評(píng)估方法，為選擇合適的不變流形給出了判斷標(biāo)準(zhǔn)；然后通過(guò)計(jì)算不變流形在固定圓軌道上的龐加萊映射，確定借用不變流形轉(zhuǎn)移軌道的范圍并利用等高線圖法得到了速度增量最小的transit軌道；完成逃逸transit軌道與捕獲transit軌道的設(shè)計(jì)后,在日心二體模型下拼接兩端的transit軌道,最終完成基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)。
基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法，具體包括如下步
步驟I,設(shè)計(jì)逃逸transit軌道。
步驟I. I,逃逸transit軌道的目標(biāo)函數(shù)取為
權(quán)利要求
1.基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟步驟1，設(shè)計(jì)逃逸transit軌道；步驟I. I,逃逸transit軌道的目標(biāo)函數(shù)取為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟I. 2中最小值的估計(jì)值利用不變流形的性質(zhì)得到；具體方法為Av1 最小值為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述星際轉(zhuǎn)移段軌道的兩個(gè)端點(diǎn)為逃逸transit軌道終端狀態(tài)和捕獲transit軌道終端狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法，其特征在于不變流形上軌道的近日點(diǎn)距離用零速度曲線與太陽(yáng)的平均距離進(jìn)行估計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)方法，特別適用于流形接近的相鄰行星軌道間的轉(zhuǎn)移，屬于航天器軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先給出一種脈沖消耗評(píng)估方法，為選擇合適的不變流形給出了判斷標(biāo)準(zhǔn)；然后通過(guò)計(jì)算不變流形在固定圓軌道上的龐加萊映射，確定借用不變流形轉(zhuǎn)移軌道的范圍并利用等高線圖法得到速度增量最小的transit軌道；完成逃逸transit軌道與捕獲transit軌道的設(shè)計(jì)后，在日心二體模型下拼接兩端的transit軌道，最終完成基于不變流形的行星際固定軌道間低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)；具有算法簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于不同行星固定環(huán)繞軌道利用不變流形的低能量轉(zhuǎn)移軌道初始設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)B64G99/00GK102923323SQ20121049922
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者崔平遠(yuǎn), 尚海濱, 喬棟, 吳偉仁, 王帥, 竇強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)