專利名稱：一種小推力借力軌道解空間剪切方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小推力借力軌道解空間剪切方法，屬于深空探測軌道設(shè)計領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在深空探測任務(wù)中，探測器采取何種飛行方案，需要消耗多少燃料才能到達(dá)目標(biāo)星體是任務(wù)設(shè)計首要關(guān)注的問題。由于深空探測的目標(biāo)距離地球遙遠(yuǎn)，探測器通常需要消耗巨大的能量才能實(shí)現(xiàn)向目標(biāo)星體的轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)比沖低、質(zhì)量重的特點(diǎn)已顯現(xiàn)出其不足。科學(xué)家一直在尋求新的推進(jìn)技術(shù)和飛行理念，以突破傳統(tǒng)飛行方式給深空探測任務(wù)帶來的限制。在這種需求下，一方面以太陽能電推進(jìn)為代表的高效率小推力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，小推力推進(jìn)系統(tǒng)具有比沖高、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，可有效降低探測器在飛行過程中的燃料消耗，進(jìn)而提高探測器的有效載荷；另一方面，隨著天體力學(xué)理論的深入發(fā)展，行星借力等天體力學(xué)機(jī)制也相繼被發(fā)現(xiàn)和提出，這些新穎的理念為深空探測器的飛行方式帶來了技術(shù)革新。先進(jìn)的小推力推進(jìn)系統(tǒng)與新穎的行星借力機(jī)制相結(jié)合，將為深空探測任務(wù)提供更多巧妙高效的探測方案，被認(rèn)為是一種非常高效、具有廣闊應(yīng)用前景的轉(zhuǎn)移方式。然而，對于結(jié)合小推力與行星借力技術(shù)的深空探測軌道而言，其解空間分布復(fù)雜、規(guī)律難尋、極值點(diǎn)繁多。進(jìn)行此類軌道的設(shè)計時通常分為初始設(shè)計和精確設(shè)計兩個步驟，初始設(shè)計的目的是為精確設(shè)計提供可行的軌道關(guān)鍵參數(shù)初值。初始設(shè)計過程中一個重要環(huán)節(jié)就是剔除掉解空間中的不可行區(qū)域，這一環(huán)節(jié)也是保證初始設(shè)計結(jié)果正確可行的前提，是目前深空探測領(lǐng)域科技人員關(guān)注的重點(diǎn)問題。在初始設(shè)計方面，常用的一種方法是采用形狀曲線逼近軌道，在先技術(shù)[I](參見 Petropoulos A E, Longuski J M. Shape-based algorithm forautomated designof low-thrust, gravity-assisttrajectories[J]. Journal of Spacecraft andRockets, 2004, 41 (5) :87-796.)，Petropoulos采用正弦指數(shù)曲線來逼近小推力轉(zhuǎn)移軌道，并結(jié)合行星借力模型拼接各小推力弧段，進(jìn)而通過大規(guī)模參數(shù)搜索可行初始軌道，然而該方法在搜索初始轉(zhuǎn)移軌道解空間時需要消耗大量的時間。在先技術(shù)[2](Pascale D P, Vasile M. Preliminary Design ofLow-ThrustMultiple Gravity-Assist Trajectories[J] . Journal ofSpacecraft andRockets, 2006, 43(5) : 1065-1076. )，Pascale利用偽春分點(diǎn)軌道根數(shù)思想，通過對正弦指數(shù)曲線進(jìn)行改進(jìn)提出一種可用于交會軌道分析的方法。然而該方法引入了多個待定參數(shù)，增加了問題的復(fù)雜程度，使問題求解難度增大。在先技術(shù)[3](Schiitzea O, Vasile M, Junge O, Dellnitz M, Izzo D. Designingoptimal low-thrust trajectories using space pruning anda mult1-objectiveapproach [J], Engineering Optimization, 2009, 41 (2) : 155-181.)，Schiitzea 等借助于正弦指數(shù)曲線思想，并通過構(gòu)造相關(guān)約束條件對小推力借力軌道的解空間進(jìn)行剖析。然而該方法在行星借力處引入速度匹配誤差容許機(jī)制，對求解精度有很大的影響，同時不適用于設(shè)計交會類型的轉(zhuǎn)移軌道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)合小推力與行星借力轉(zhuǎn)移軌道解空間復(fù)雜、 極值點(diǎn)繁多的問題，提出了一種小推力借力軌道解空間剪切方法，能夠求解得到結(jié)合小推 力與行星借力轉(zhuǎn)移軌道的有效解空間。根據(jù)任務(wù)需求，對問題模型進(jìn)行歸結(jié)，得到進(jìn)行小推力借力初始設(shè)計的相關(guān)參數(shù) 集合，對設(shè)計參數(shù)的離散化處理，可以獲得直觀的小推力借力轉(zhuǎn)移軌道的初始解空間。通過 構(gòu)造相關(guān)約束條件，并驗(yàn)證所得解空間中的每組數(shù)據(jù)，以判定各組參數(shù)是否滿足約束條件， 來剔除不可行解，在這一過程中將采用逆六次多項(xiàng)式逼近小推力轉(zhuǎn)移軌道，它可以同時滿 足探測器始末端邊界約束及飛行時間約束，對形狀逼近技術(shù)所得的相關(guān)參數(shù)值(速度增量、 加速度最大值)進(jìn)行判定，繼而進(jìn)行不可行解的剔除；此外也通過引入行星借力模型拼接各 小推力弧段，以計算探測器經(jīng)過行星借力后的速度，該操作可消除速度匹配誤差，提高計算 精度。該方法能夠根據(jù)給定的始末端邊界條件對不同任務(wù)類型的小推力借力轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)行 快速設(shè)計。步驟1，建立解空間探測器在tQ時刻從天體A出發(fā)，經(jīng)一次或多次行星借力后到達(dá)目標(biāo)天體B，則解空 間中的設(shè)計參數(shù)包括 ( 1 )時間參數(shù)laund!，
權(quán)利要求
1.一種小推力借力軌道解空間剪切方法，其特征在于包括以下步驟 步驟I，建立解空間 探測器在h時刻從天體A出發(fā)，經(jīng)一次或多次行星借力后到達(dá)目標(biāo)天體B，則解空間的設(shè)計參數(shù)包括 (I )時間參數(shù)^annch，-^lyby，……，Kyby, ^nd，其中TL_eh、TEnd分別表不探測器的發(fā)射時刻及到達(dá)目標(biāo)天體的時刻，^yby表示探測器飛越第i個借力天體的發(fā)射時刻，i = l, 2, ... ,n, Tl為借力天體總數(shù)； (2)各小推力弧段繞日心的旋轉(zhuǎn)圈數(shù); (3)速度參數(shù)務(wù)f，其中f、^分別為逃離天體A的逃逸速度及進(jìn)入目標(biāo)天體B的相對速度，^_為進(jìn)入第i個借力天體后的速度； (4)B平面角h…匕…比和借力高度其中匕為第i次行星借力時的B平面角，<為第i次行星借力的高度； 解空間的建立過程為 步驟1. 1，對時間參數(shù)離散化，建立小推力借力軌道在時間域上的搜索空間； 步驟1. 2，將速度變量分解為切向速度與徑向速度，分別進(jìn)行離散化，建立切向速度搜索空間和徑向速度搜索空間； 步驟1. 3，對各小推力弧段繞日心的圈數(shù)、行星借力參數(shù)進(jìn)行離散化，構(gòu)造圈數(shù)搜索空間、借力參數(shù)搜索空間； 將步驟1.1至步驟1. 3得到的多個搜索空間進(jìn)行組合，共得到K組離散化參數(shù)，且每組參數(shù)的組成包括時間、切向速度、徑向速度、圈數(shù)和借力參數(shù)；K組離散化參數(shù)形成設(shè)計參數(shù)離散空間Q ； 步驟2，調(diào)取步驟I建立的設(shè)計參數(shù)離散空間中數(shù)據(jù)，計算得到解空間剪切所需的參數(shù)值； 步驟2.1，確定探測器始末端條件 從Q中提取一組參數(shù)，確定探測器在各天體處的狀態(tài)，以及各小推力弧段的飛行時間 在進(jìn)行第i次行星借力時，通過時間參數(shù)，獲得始末端天體的位置與速度，并根據(jù)提取的速度參數(shù)確定探測器進(jìn)行行星借力前的狀態(tài)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小推力借力軌道解空間剪切方法，其特征在于時間域上的搜索空間建立方法為 第i段小推力軌道的初始時刻為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小推力借力軌道解空間剪切方法，其特征在于切向速度搜索空間和徑向速度搜索空間的建立方法為 探測器相對第i個借力天體的進(jìn)入速度匕描述為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小推力借力軌道解空間剪切方法，其特征在于參數(shù)離散化時選取的步長越小，解空間規(guī)模越大，所得可行解空間越精確。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小推力借力軌道解空間剪切方法，屬于深空探測軌道設(shè)計領(lǐng)域。根據(jù)任務(wù)需求，得到進(jìn)行小推力借力初始設(shè)計的相關(guān)參數(shù)集合，對設(shè)計參數(shù)的離散化處理；通過構(gòu)造相關(guān)約束條件，并驗(yàn)證所得解空間中的每組數(shù)據(jù)，剔除不可行解，過程中采用逆六次多項(xiàng)式逼近小推力轉(zhuǎn)移軌道，對形狀逼近技術(shù)所得的相關(guān)參數(shù)值(速度增量、加速度最大值)進(jìn)行判定；同時引入行星借力模型拼接各小推力弧段，計算探測器經(jīng)過行星借力后的速度，以消除速度匹配誤差，提高計算精度。該方法能夠根據(jù)給定的始末端邊界條件對不同任務(wù)類型的小推力借力轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)行快速設(shè)計，有效提高計算的精度，適用于交會型、飛越型等多種方式探測任務(wù)的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計。
文檔編號G06F17/50GK103020338SQ201210499239
公開日2013年4月3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)明者崔平遠(yuǎn), 尚海濱, 喬棟, 趙遵輝, 王帥 申請人:北京理工大學(xué)