專利名稱：基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法，特別適合于利用動平衡點的低能量深空探測任務(wù)軌道設(shè)計，屬于航天器軌道機動技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
三體動力學(xué)系統(tǒng)中動平衡點及附近的周期軌道因其特殊的位置和動力學(xué)特性在空間探測任務(wù)中具有重要的應(yīng)用價值，截止目前全球已成功實施了多次動平衡點軌道任務(wù)，例如ISEE-3、S0H0、Genesis等。近些年一些學(xué)者提出可將動平衡點作為深空探測中繼站的構(gòu)想，這為低能量實現(xiàn)深空探測提供了新的轉(zhuǎn)移方式。由出發(fā)星附近動平衡點周期軌道向深空逃逸的軌道設(shè)計是該類型轉(zhuǎn)移方式應(yīng)用的一個重要基礎(chǔ)，目前對這一問題的研究較少，且多集中于直接轉(zhuǎn)移或利用不變流形直接逃逸出發(fā)行星引力場的方式。由于太陽一行星系統(tǒng)的質(zhì)量比通常較小，單純借用不變流形對逃逸探測器飛行軌跡進(jìn)行改變的效果不明顯，無法達(dá)到有效降低燃料消耗的作用，同時還大大延長了飛行時間。若同時利用不變流形和行星引力輔助則可以大幅度的降低探測器由周期軌道逃逸出發(fā)行星的燃料消耗，達(dá)到進(jìn)行行星際轉(zhuǎn)移所應(yīng)具備的能量。然而，在三體動力學(xué)系統(tǒng)下，探測器在行星附近的軌道動力學(xué)非線性很強，采用傳統(tǒng)的軌道動力學(xué)方法對逃逸軌道進(jìn)行設(shè)計異常困難。如何選擇合適的不變流形分支，計算機動點的需要施加的速度脈沖，即發(fā)展一種可靠有效的從周期軌道實現(xiàn)行星逃逸的軌道設(shè)計方法是當(dāng)前需要解決的熱點問題。
在已發(fā)展的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法中，在先技術(shù)[I] (Alonso G. P. The design of system-to-system transfer arcs using invariantmanifolds in the multi-body problem[D]. Purdue University, Indiana, USA. 2006.),針對日地系統(tǒng)Halo 軌道至日火系統(tǒng)Halo軌道間的脈沖轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計問題，給出了一種直接借助不變流形的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計方法。在地球逃逸階段，根據(jù)Halo軌道不變流形與火星軌道的接近程度選擇合適的流形分支，然后根據(jù)日心軌道二體能量的變化選取出在不變流形上的機動位置和需要施加的速度脈沖。該方法只是針對于單純借助不變流形逃逸地球引力場這一問題研究的， 無法適用于結(jié)合不變流形與行星引力輔助的低能量逃逸軌道。
在先技術(shù)[2](Nakamiya M. , Yamakawa H. and Scheeres D. J. , Yoshikawa M.Interplanetary Transfers Between Halo Orbits:Connectivity Between Escape and Capture Trajectories [J]. Journal ofGuidance,Control and Dynamics, 2010，33(3) : 803-813.)，針對日地Halo軌道向日火Halo軌道轉(zhuǎn)移問題，采用了結(jié)合不變流形與行星引力輔助的地球逃逸和火星俘獲策略實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。該技術(shù)中只是對這一類型的轉(zhuǎn)移方式的性質(zhì)進(jìn)行了分析，對地球逃逸和火星俘獲需要的燃料消耗進(jìn)行了初步評估，并未給出具體的流形分支選擇和速度脈沖計算方法，無法用于實際的低能量行星逃逸軌道的設(shè)計問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)燃料最省、不變流形分支選擇和機動脈沖計算等問題，提出了一種基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法。
本方法基于近拱點龐加萊映射的分段匹配，適合于基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計問題。首先通過引入近拱點龐加萊映射得到不變流形在近拱點處的軌道狀態(tài)集；然后，根據(jù)實現(xiàn)行星際轉(zhuǎn)移所需逃逸雙曲線超速要求，采用數(shù)值迭代方法計算軌道狀態(tài)集中不變流形每一分支應(yīng)施加的機動脈沖，通過機動脈沖大小對比可以確定燃料最省逃逸對應(yīng)的不變流形分支和需要的機動脈沖。
本發(fā)明方法的技術(shù)方案是通過如下步驟實現(xiàn)的
步驟I，行星周圍近拱點計算
由于在行星周圍近拱點處改變軌道的能力最強，故逃逸點選在近拱點達(dá)到消耗較少的燃料完成逃逸的目的。為完整描述不變流形在行星周圍的近拱點，引入近拱點龐加萊映射。
旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，令
權(quán)利要求
1.基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟步驟I，逃逸點選在近拱點，采用龐加萊映射計算得到多個行星周圍近拱點旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，令x=[x-l+y，y]表示航天器相對于行星的位置矢量，μ為太陽-行星三體模型中的質(zhì)量比，則航天器處于近拱點的約束表示為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法，其特征在于選取逃逸軌道時只考慮速度增量最小，則k1=l，k2=0。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法，其特征在于若航天器在近拱點處角動量為正，則η的取值范圍為(η，3π/2)，對應(yīng)逆行雙曲線軌道；若航天器在近拱點處角動量為負(fù)，則η的取值范圍為(η/2，π)，對應(yīng)順行雙曲線軌道。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法，其特征在于所述速度坐標(biāo)系的原點處于行星質(zhì)心上，t軸指向雙曲超速方向，在軌道面內(nèi)將t軸順時針旋轉(zhuǎn)90°得到S軸；所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的原點位于太陽和行星的共同質(zhì)心上，X軸由太陽指向行星，y軸指向行星速度方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于不變流形與引力輔助的低能量行星逃逸軌道設(shè)計方法，特別適合于利用動平衡點的低能量深空探測任務(wù)軌道設(shè)計，屬于航天器軌道機動技術(shù)領(lǐng)域。本方法基于近拱點龐加萊映射的分段匹配，首先通過引入近拱點龐加萊映射得到不變流形在近拱點處的軌道狀態(tài)集；然后，根據(jù)實現(xiàn)行星際轉(zhuǎn)移所需逃逸雙曲線超速要求，采用數(shù)值迭代方法計算軌道狀態(tài)集中不變流形每一分支應(yīng)施加的機動脈沖，通過機動脈沖大小對比可以確定燃料最省逃逸對應(yīng)的不變流形分支和需要的機動脈沖；具有算法簡單、計算效率高等優(yōu)點，能夠為精確設(shè)計提供合理可行的初值猜測。
文檔編號B64G99/00GK102923324SQ20121049939
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者尚海濱, 崔平遠(yuǎn), 吳偉仁, 王帥, 趙遵輝, 竇強 申請人:北京理工大學(xué)