CN102923322A - 一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法，具体涉及一种星际节能飞行的借力天体选择方法，属于航空航天技术领域。首先根据任务需求，提出交会目标天体的性能指标，结合目标天体的轨道特性，给出可能的潜在借力天体；然后由目标天体和潜在借力天体的星历，得到目标天体和潜在借力天体的状态，求解从潜在借力天体到目标天体的Lambert问题，得到相关性能指标的等高线图。根据等高线图和任务约束，判别该天体是否可作为飞向目标天体的借力天体；将能量条件及行星星历相结合，从而有效解决深空探测节能飞行任务中的借力天体选择问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法，具体涉及一种星际节能飞行的借力天体选择方法，属于航空航天技术领域。
背景技术
借力飞行技术是实现低能量星际探测的关键技术，而借力天体的选择直接影响到借力飞行轨道设计的效果。在已发展的星际飞行借力天体选择技术方面，在先技术（参见Nathan J.Strange,James M.Longuski,Graphical Method forGravity-Assist Trajectory Design,Journal of Spacecraft and Rockets,39(1):9-16）提出了P-rp图法。该方法基于Tisserand准则给出了可描述借力飞行后探测器轨道能量的P-rp图，根据不同天体P-rp图曲线的变化与是否相交来选择借力天体和借力序列。该方法的优点是可给出借力飞行的基本效能和借力飞行可选序列，缺点是无法与行星星历匹配，从而导致对任务设计的实用性不足。
发明内容
本发明为解决借力天体选择方法与行星星历不匹配的问题，提出一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法。
本发明通过下述技术方案实现：首先根据任务需求，提出交会目标天体的性能指标，结合目标天体的轨道特性，给出可能的潜在借力天体；然后由目标天体和潜在借力天体的星历，得到目标天体和潜在借力天体的状态，求解从潜在借力天体到目标天体的Lambert问题，得到相关性能指标的等高线图。根据等高线图和任务约束，判别该天体是否可作为飞向目标天体的借力天体。
具体步骤为：
步骤一、确定潜在借力天体。
潜在借力天体的选取原则为：借力天体的轨道半长轴小于目标天体的轨道半长轴，且排除近日天体及发射天体本身。
步骤二、获取探测器从潜在借力天体出发时刻以及到达目标天体时刻的状态。
根据设计的交会任务时间区间，由潜在借力天体的星历及预定借力飞行的时间得到探测器借力时的位置与速度；由目标天体的星历及预定的交会时间得到探测器与目标天体交会时的位置与速度，求解Lambert问题，得到探测器从潜在借力天体出发时的位置、速度和到达目标天体时的位置、速度。
步骤三、由性能指标等高线图确定备选借力天体。
根据步骤二得到的探测器从潜在借力天体出发时的状态和到达目标天体时的状态，求解得到与目标天体交会时所需速度增量的等高线图和借力飞行后的状态；再通过等高线图得到与目标天体交会所需最小的速度增量。若该速度增量满足任务的性能指标要求，则将该潜在借力天体作为备选借力天体。
所述性能指标要求为小于任务要求的最小交会时速度增量。
步骤四、判别备选借力天体是否满足借力匹配条件。
根据任务要求的探测器从发射天体出发的时间区间，以及该区间内发射天体的星历得到发射时的位置与速度，由备选借力天体的星历得到借力时的位置与速度，求解Lambert问题，得到借力飞行前的状态和从发射天体发射时的能量。根据借力飞行前与借力飞行后双曲超速的平方相等的借力飞行匹配条件，判别备选借力天体是否满足借力飞行要求，同时判别发射时的能量是否满足任务约束要求。若两者同时满足，则该备选借力天体作为唯一的借力天体。
若满足借力飞行匹配条件，而发射时的能量不满足约束要求，则该借力天体仅作为抵达目标天体前的最后一个借力天体，进行步骤五。
步骤五，将步骤四得到的最后一个借力天体作为目标天体，重复步骤一至步骤四，继续搜寻借力天体，直到找到所有借力天体，使探测器在满足任务能量约束的条件下，从发射天体抵达目标天体。
有益效果
本发明方法通过目标天体与借力天体之间转移所需性能指标的等高线图来反映满足借力飞行的条件，将能量条件及行星星历相结合，从而有效解决深空探测节能飞行任务中的借力天体选择问题。
附图说明
图1为本发明的基于等高线图的天体探测借力天体选择方法流程图；
图2为具体实施方式中从火星出发到达1627小行星时所需速度增量的等高线图；
图3为具体实施方式中从金星出发到达1627小行星时所需速度增量的等高线图。
具体实施方式
下面以2010年至2015年从地球发射飞行器探测1627小行星为例，并结合附图对本发明的实施方式做详细说明。
一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法，其流程如图1所示，本实施例的具体步骤为：
步骤一、给出与目标天体交会的性能指标确定潜在借力天体
1627小行星轨道半长轴为1.863AU，远日点为2.603AU。根据半长轴与远日点的距离，其可选的借力天体为火星、地球、金星、水星（这些天体的半长轴均小于1627小行星）。由于其从地球直接出发，故暂排除地球借力；由于水星距离太阳较近，水星借力将影响探测器的性能，故暂排除水星作为借力天体，因此潜在借力天体为火星和金星。
步骤二、求解目标天体与潜在借力天体的兰伯特问题
根据任务要求交会的时间区间为[2010,2015]，由1627小行星的星历可得预定交会时的位置与速度，同样，由潜在借力天体火星和金星的星历可得预定借力飞行时的位置与速度，通过求解Lambert问题，得到探测器分别从火星、金星出发时的状态和到达1627小行星时的状态。
步骤三、由性能指标等高线图判别和选择备选借力天体
根据探测器分别从火星、金星出发时的状态和到达1627小行星时的状态，可得与1627小行星交会时所需的速度增量，并绘制相应的等高线图，如图2和3所示。
小行星交会任务性能指标定义交会时所需速度增量最小，且小于2km/s。
由等高线图可看出：从金星出发到达1627小行星时所需速度增量最小为3km/s不能满足交会约束的要求，故金星不能作为备选的借力天体；从火星出发到达1627小行星时所需速度增量小于2km/s可满足要求，故火星可作为备选的借力天体，同时也可得到相应从火星出发的状态。
步骤四、判别所选备选借力天体是否满足借力匹配条件
确定火星为备选借力天体后，根据任务要求，选择从地球出发的时间区间[2010,2015]，由地球的星历可得发射时的位置与速度，由备选借力天体火星的星历可得借力时的位置与速度，求解Lambert问题，得到火星借力飞行前的状态和从地球发射时的能量，根据借力飞行匹配条件（借力飞行前与借力飞行后双曲超速的平方相等，||V-∞||=||V+∞||）可判别火星是否满足借力飞行要求，同时也可判别从地球发射时的能量是否满足约束要求。相关结果如表1所示。
表12010~2015年火星借力探测1627Ivar小行星的可能机会
其中，TL为发射时间，Tf为飞行时间，ΔVtotal为总的速度增量，C3为地球发射时的发射能量，ΔVr为探测器与目标交会时的速度增量。
由表1可以看出：火星可满足借力飞行的匹配条件，但从地球发射时的能量偏大，所以火星仅可作为飞向1627小行星前的最后一个借力天体。
接下来再以火星作为目标天体，按照同样的方法继续搜寻借力天体，直到使得探测器能通过借力从地球达到1627小行星。
自此，就完成了小天体探测借力天体的选择。
Claims (4)
1.一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、按照借力天体的轨道半长轴小于目标天体的轨道半长轴，且排除近日天体及发射天体本身的选取原则，确定潜在借力天体；
步骤二、获取探测器从潜在借力天体出发时刻以及到达目标天体时刻的状态；
步骤三、根据步骤二得到的探测器从潜在借力天体出发时的状态和到达目标天体时的状态，求解得到与目标天体交会时所需速度增量的等高线图和借力飞行后的状态；再通过等高线图得到与目标天体交会所需最小的速度增量；若该速度增量满足任务的性能指标要求，则将该潜在借力天体作为备选借力天体；
步骤四、根据任务要求的探测器从发射天体出发的时间区间，以及该区间内发射天体的星历得到发射时的位置与速度，由备选借力天体的星历得到借力时的位置与速度，求解Lambert问题，得到借力飞行前的状态和从发射天体发射时的能量；根据借力飞行匹配条件，判别备选借力天体是否满足借力飞行要求，同时判别发射时的能量是否满足任务约束要求；若两者同时满足，则该备选借力天体作为唯一的借力天体；
若满足借力飞行匹配条件，且发射时的能量不满足约束要求，则该借力天体仅作为抵达目标天体前的最后一个借力天体，进行步骤五；
步骤五，将步骤四得到的最后一个借力天体作为目标天体，重复步骤一至步骤四，继续搜寻借力天体，直到找到所有借力天体，使探测器在满足任务能量约束的条件下，从发射天体抵达目标天体。
2.根据权利要求1所述的一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法，其特征在于：所述探测器从潜在借力天体出发时刻以及到达目标天体时刻的状态的具体方法为：根据设计的交会任务时间区间，由潜在借力天体的星历及预定借力飞行的时间得到探测器借力时的位置与速度；由目标天体的星历及预定的交会时间得到探测器与目标天体交会时的位置与速度，求解Lambert问题，得到探测器从潜在借力天体出发时的位置、速度和到达目标天体时的位置、速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法，其特征在于：步骤3所述性能指标要求为小于任务要求的最小交会时速度增量。
4.根据权利要求1所述的一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法，其特征在于：所述借力飞行匹配条件为借力飞行前与借力飞行后双曲超速的平方相等。
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