CN110489779B - 一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法，包括如下步骤：设定飞行序列为地球‑地球‑木星，建立平面内椭圆型的地球和木星解析星历模型；设计探测器与地球共振发射算法，确保探测器按照给定的共振比发射离开地球，利用兰伯特算法建立深空机动到地球借力的转移轨道模型，设定地球借力飞越高度，建立地球借力后的转移轨道模型；定义地球借力时刻和发射时刻地球的平近点角增量为相位角增量，针对某一年的发射窗口，以发射时刻、共振比和相位角增量为优化变量，构建多层嵌套优化策略。本发明可实现优化变量初值准确猜测，有效提高木星探测转移轨道优化的鲁棒性和快速性，为发射窗口的快速分析和轨道优化设计提供快速有效的分析方法。

Description

一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法

技术领域

本发明涉及到深空探测轨道技术领域，尤其涉及到一种木星探测借力飞行轨道设计方法。

背景技术

木星是太阳系内拥有最大自然卫星系统的行星，目前已发现67颗卫星，其中质量最大的4颗称为伽利略卫星。木星探测有助于人们研究太阳系起源、演化，寻找地外天体的生命形态，揭开生命诞生之谜。木星及其卫星探测成为了美国、日本和欧洲等宇航大国的中长期战略目标。历史上，人们对木星进行了多次探测，但是多数仅限于飞越探测，例如先驱者10号和11号、旅行者1号和2号、卡西尼-惠更斯号以及新视野号等探测任务，探测程度相当有限。截止至今，人们仅对木星进行了两次环绕探测任务，分别是1989年发射的伽利略号探测器和2011年发射的朱诺号探测器。近年来，世界宇航大国纷纷提出了多项探测任务，计划对木星及其卫星进行近距离探测。例如，ESA正在筹划的木星冰卫星探测任务将多次利用木卫三、木卫四进行轨道倾角调整和减速，首次在一次任务中同时实现木星和木卫三的环绕探测；NASA和ESA合作的“联合欧罗巴任务”计划对木卫二(欧罗巴)开展环绕探测，同时计划在木卫二表面释放一个着陆器，用于探测生命物质。

借力飞行，也称引力辅助或者近旁转向，是木星探测的关键技术之一，对木星探测轨道设计和任务规划具有重要意义。借力飞行一方面可降低运载发射能力要求，减少探测器的工质消耗；另一方面使得一些原本不可能实现的任务变为可能，同时可顺访其它天体，增加科学回报。借力飞行轨道设计包括借力序列搜索和轨道设计(也称路径搜索和路径求解)，前者进行借力天体的选择和顺序确定，后者实现天体之间的转移轨道设计。

现有技术针对木星探测转移轨道设计，采用地球-金星-地球-地球-木星的借力序列，例如伽利略探测任务和木星冰卫星探测任务，其转移时间在6.5年左右，全程为弹道式转移，不需施加深空机动。现有技术也结合深空机动技术，仅利用一次地球借力，可将转移时间减少一年左右，有利于实现地木快速转移，例如朱诺号木星探测任务。现有技术针对借力序列设计，广泛采用基于Tisserand图的分析方法，从轨道能量的角度设计可行的借力序列。现有技术也采用数值优化的方法进行借力序列设计，通过对各个天体用整数按顺序进行标定，然后将问题描述为整数混合型的非线性规划问题，采用数值优化算法进行求解。针对某一特定的借力序列，现有技术采用遗传算法、差分进化算法和粒子群算法等智能优化方法进行天体间转移轨道优化设计，提出了解空间剪枝全局优化和分支定界等方法。然而，该类智能优化算法对参数的敏感性强，要求使用者具有一定的经验，因此难以实现自动的天体间转移轨道优化设计。尤其是，深空机动将引入新的优化变量，进一步增加转移轨道设计的复杂度，使得基于智能优化算法的天体间转移轨道优化出现计算量大，收敛困难。现有技术也采用局部优化算法进行天体间转移轨道优化设计，具有计算量小的优点，但是要求提供较好的初值猜测以获得较佳的收敛性能。对于某一特定的借力序列，天体间转移轨道优化设计常面临优化变量多、非线性强等问题，因此其初值猜测的难度较大，局部优化算法也常面临收敛困难。

发明内容

针对带有深空机动的木星探测转移轨道优化设计面临的优化变量多、非线性强和收敛困难等问题，本发明提出一种木星探测借力飞行轨道设计方法，充分利用局部优化算法的快速收敛性和计算量小的优点，重点解决优化变量的初值猜测问题，实现木星探测转移轨道的快速优化设计。

实现本发明的技术方案如下：

一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1、设定飞行序列为地球-地球-木星，建立平面内椭圆型的地球和木星解析星历模型。

步骤2、设计探测器与地球共振发射算法，确保探测器按照给定的共振比发射离开地球。利用兰伯特算法，建立深空机动到地球借力的转移轨道模型。设定地球借力飞越高度，建立地球借力后的转移轨道模型。

步骤3、定义地球借力时刻和发射时刻地球的平近点角增量为相位角增量，针对某一年的发射窗口，以发射时刻、共振比和相位角增量为优化变量，构建多层嵌套优化策略，建立基于该优化策略的木星探测转移轨道优化设计方法。

上述技术方案中，步骤1具体包括：

步骤101：以某一历元时刻的轨道根数为基准，设定地球和木星的轨道倾角为零，建立平面内椭圆型的地球和木星解析星历模型；

步骤102：在该星历模型的基础上，进一步构建分别以历元时刻和行星平近点角为独立变量的星历差模型；

步骤103：设定借力序列为地球-地球-木星，在转移过程仅施加一次深空机动，且位于探测器发射后的地球-地球转移轨道段；

上述技术方案中，步骤2具体包括：

步骤201：对于给定的发射时刻t₀，设计探测器与地球共振发射算法，确保探测器按照给定的共振比ρ发射离开地球，进入地球-地球转移轨道段；

步骤202：将深空机动的位置设定在该轨道段的第一个远日点，同时设定地球借力时刻和发射时刻地球的平近点角增量为相位角增量ΔM，利用兰伯特算法完成深空机动到地球借力的转移轨道计算，获得深空机动的速度脉冲和交会地球的进入双曲线超速；

步骤203：设定探测器以最低允许高度飞越地球，获得最佳的加速效果，至此可以获得地球借力后的转移轨道，一般情况下该轨道应该与木星轨道相交。

上述技术方案中，步骤3具体包括：

步骤301：针对某一年的发射窗口，任务选择发射时刻t₀，设定ρ为2:1，利用局部优化算法计算ΔM，使得地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点位于木星轨道上，此为第一层优化模型；

步骤302：以ρ和ΔM为优化变量，2:1作为ρ的初值猜测，第一层优化模型的结果作为ΔM的猜测，目标是最小化深空机动的脉冲速度，同时确保地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点位于木星轨道上，此为第二层优化模型；

步骤303：以t₀、ρ和ΔM为优化变量，利用步骤2建立转移轨道模型绘制转移轨道图以实现对t₀的猜测，第二层优化模型结果作为ρ和ΔM的初值猜测，目的是使得地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点与木星重合，实现对木星的交会。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明中的方法充分利用了局部优化算法的快速收敛性和计算量小的优点，通过构建多层嵌套优化策略，实现了优化变量初值准确猜测，有效地提高了木星探测转移轨道优化的鲁棒性和快速性，为发射窗口的快速分析和轨道优化设计提供了快速有效的分析方法。以2020-2030年发射的木星探测转移轨道为设计对象，利用本发明中的方法对每一年的转移轨道进行了优化设计，数值计算结果显示了该方法的有效性。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为现有技术的朱诺号木星探测器轨道。

图3为本发明实施例优化得到的朱诺号木星探测器轨道。

图4为本发明实施例中2030年发射的木星探测器轨道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应该指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明中：以带有深空机动的地球-地球-木星转移轨道为研究对象，建立了平面内椭圆型的地球和木星解析星历模型，给出了探测器与地球共振发射算法，建立了地球到木星的转移轨道模型，提出了基于多层嵌套优化策略的木星探测转移轨道优化设计方法，有效地克服了初值猜测困难，实现了木星探测转移轨道的快速优化设计。数值计算结果显示了该方法的有效性。具体的，如图1所示，本发明为一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1、设定飞行序列为地球-地球-木星，建立平面内椭圆型的地球和木星解析星历模型；

步骤101：以某一历元时刻的轨道根数为基准，设定地球和木星的轨道倾角为零，建立平面内椭圆型的地球和木星解析星历模型；

步骤102：在该星历模型的基础上，进一步构建分别以历元时刻和行星平近点角为独立变量的星历差模型；

步骤103：设定借力序列为地球-地球-木星，在转移过程仅施加一次深空机动，且位于探测器发射后的地球-地球转移轨道段；

步骤2、设计探测器与地球共振发射算法，确保探测器按照给定的共振比发射离开地球；然后利用兰伯特算法，建立深空机动到地球借力的转移轨道模型；最后设定地球借力飞越高度，建立地球借力后的转移轨道模型。

步骤201：对于给定的发射时刻t₀，设计探测器与地球共振发射算法，确保探测器按照给定的共振比ρ发射离开地球，进入地球-地球转移轨道段；

步骤202：将深空机动的位置设定在该轨道段的第一个远日点，同时设定地球借力时刻和发射时刻地球的平近点角增量为相位角增量ΔM，利用兰伯特算法完成深空机动到地球借力的转移轨道计算，获得深空机动的速度脉冲和交会地球的进入双曲线超速；

步骤203：设定探测器以最低允许高度飞越地球，获得最佳的加速效果，至此可以获得地球借力后的转移轨道，一般情况下该轨道应该与木星轨道相交。

步骤3、定义地球借力时刻和发射时刻地球的平近点角增量为相位角增量，针对某一年的发射窗口，以发射时刻、共振比和相位角增量为优化变量，构建多层嵌套优化策略，建立基于该优化策略的木星探测转移轨道优化设计方法。

步骤301：针对某一年的发射窗口，任务选择发射时刻t₀，设定ρ为2:1，利用局部优化算法计算ΔM，使得地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点位于木星轨道上，此为第一层优化模型；

步骤302：以ρ和ΔM为优化变量，2:1作为ρ的初值猜测，第一层优化模型的结果作为ΔM的猜测，目标是最小化深空机动的脉冲速度，同时确保地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点位于木星轨道上，此为第二层优化模型；

步骤303：以t₀、ρ和ΔM为优化变量，利用步骤2建立的转移轨道模型绘制转移轨道图以实现对t₀的猜测，第二层优化模型结果作为ρ和ΔM的初值猜测，目的是使得地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点与木星重合，实现对木星的交会。

以下为一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法的数值仿真验证。

以2020-2030年发射的木星探测转移轨道为设计对象，利用本发明中的方法对每一年的转移轨道进行优化设计。为了验证本发明方法的有效性，对2011年发射的朱诺号木星探测器轨道进行重新优化计算，并将计算结果与实际任务轨道进行比较。

图2给出了朱诺号木星探测器轨道，图3给出了本发明方法优化计算得到的相应轨道。对比图1和图2可知，本发明方法计算得到的关键事件的时间点与朱诺号木星探测器轨道基本相符，表明了该方法的有效性。

表1木星探测转移轨道的关键参数

表2木星探测转移轨道关键事件的时间点

表1给出了发射C₃和速度脉冲的计算结果，2020-2030年窗口的发射C₃基本都在28km²/s²左右，探测器经过行星际转移到形成木星环绕轨道所需要的总速度脉冲基本都在1.4km/s左右。表2给出了深空转移过程关键时间的时刻，计算结果表明转移时间都在4.8年左右，其中最长的转移时间为5.02年，最短的转移时间为4.66年，分别对应于木星轨道远日点和近日点附近入轨。图4给出了2030年发射的木星转移轨道，该轨道于2030年2月24日发射，2031年3月6日进行深空机动，2034年10月23日在木星轨道近日点附近到达木星。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、设定飞行序列为地球-地球-木星，建立平面内椭圆型的地球和木星解析星历模型；

步骤2、设计探测器与地球共振发射算法，确保探测器按照给定的共振比发射离开地球；利用兰伯特算法，建立深空机动到地球借力的转移轨道模型；设定地球借力飞越高度，建立地球借力后的转移轨道模型；

步骤3、定义地球借力时刻和发射时刻地球的平近点角增量为相位角增量，针对某一年的发射窗口，以发射时刻、共振比和相位角增量为优化变量，构建多层嵌套优化策略；

步骤3具体包括：

步骤301：针对某一年的发射窗口，任务选择发射时刻t₀，设定ρ为2:1，利用局部优化算法计算ΔM，使得地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点位于木星轨道上，此为第一层优化模型；

步骤302：以ρ和ΔM为优化变量，2:1作为ρ的初值猜测，第一层优化模型的结果作为ΔM的猜测，目标是最小化深空机动的脉冲速度，同时确保地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点位于木星轨道上，此为第二层优化模型；

步骤303：以t₀、ρ和ΔM为优化变量，利用步骤2建立的转移轨道模型绘制转移轨道图以实现对t₀的猜测，第二层优化模型结果作为ρ和ΔM的初值猜测，目的是使得地球借力后地球-木星转移轨道段的第一个远日点与木星重合，实现对木星的交会。

2.根据权利要求1所述一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法，其特征在于：步骤1具体包括：

步骤101：以某一历元时刻的轨道根数为基准，设定地球和木星的轨道倾角为零，建立平面内椭圆型的地球和木星解析星历模型；

步骤102：在该星历模型的基础上，进一步构建分别以历元时刻和行星平近点角为独立变量的星历差模型；

步骤103：设定借力序列为地球-地球-木星，在转移过程仅施加一次深空机动，且位于探测器发射后的地球-地球转移轨道段。

3.根据权利要求2所述一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法，其特征在于：步骤2具体包括：

步骤201：对于给定的发射时刻t₀，设计探测器与地球共振发射算法，确保探测器按照给定的共振比ρ发射离开地球，进入地球-地球转移轨道段；

步骤202：将深空机动的位置设定在该轨道段的第一个远日点，同时设定地球借力时刻和发射时刻地球的平近点角增量为相位角增量ΔM，利用兰伯特算法完成深空机动到地球借力的转移轨道计算，获得深空机动的速度脉冲和交会地球的进入双曲线超速；

步骤203：设定探测器以最低允许高度飞越地球，获得最佳的加速效果，至此可以获得地球借力后的转移轨道模型。

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