CN110489781B - 基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法 - Google Patents
基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110489781B CN110489781B CN201910595845.2A CN201910595845A CN110489781B CN 110489781 B CN110489781 B CN 110489781B CN 201910595845 A CN201910595845 A CN 201910595845A CN 110489781 B CN110489781 B CN 110489781B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- orbit
- planet
- speed
- water
- transmitting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法,包括如下步骤:建立平面内椭圆型的地球、金星和水星解析星历模型与相位自由轨道模型,设定探测器从地球出发后,通过对金星进行2次借力到达水星;在一定的范围内离散化发射相位和发射速度形成一系列网格点,以每个网格点为初始条件计算地球到水星的交会轨道,绘制水星交会速度等高线图;利用水星交会速度等高线图,选取最优发射相位和发射速度,利用行星解析星历模型,计算得到地球到水星的交会轨道。本发明基于行星相位自由轨道模型提出的一种网格化优化方法,显著地降低了水星交会脉冲轨道优化设计难度。
Description
技术领域
本发明涉及深空探测轨道技术领域,尤其涉及基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法。
背景技术
行星借力是一种行星际转移设计常用的轨道技术,可有效地降低燃料预算,在深空探测领域中具有重要的应用价值。水星探测包括飞越探测、环绕探测以及着陆探测等方式,都要求探测器与水星的交会速度必须足够小以满足任务设计要求。然而,在太阳引力的作用下,探测器飞向水星的脉冲轨道转移是一个加速运动的过程,必须对探测器进行制动以保证交会速度满足设计要求。行星借力是有效解决水星交会轨道设计的有效技术,但是由于水星靠近太阳,轨道周期短且呈现明显的椭圆形状,因此其交会轨道带有多次借力、多圈转移的特征,这给水星交会脉冲轨道的优化设计带来了技术挑战。现有技术多数依赖于基于群智能算法的数值优化方法进行水星交会脉冲轨道设计,采用实数型、离散型和二进制型等混合整数型变量建立优化模型,对优化算法提出很高的性能要求。然而此类技术的优化过程基本上是“摸黑”搜索最优轨道,缺乏对水星交会轨道机理的认识和利用,因而存在计算量大、收敛困难等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对水星交会脉冲轨道优化设计,提出一种由发射相位和发射速度描述的网格化设计方法,解决发射相位、借力天体相位以及水星交会相位的相对相位优化问题,为水星交会脉冲轨道的快速优化设计与分析提供有益的参考。
根据本发明提供的一种基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法,包括如下步骤:
步骤1、建立平面内椭圆型的地球、金星和水星解析星历模型与相位自由轨道模型,设定探测器从地球出发后,通过对金星进行2次借力到达水星;
步骤2、在一定的范围内离散化发射相位和发射速度形成一系列网格点,以每个网格点为初始条件计算地球到水星的交会轨道,绘制水星交会速度等高线图;
步骤3、利用水星交会速度等高线图,选取最优发射相位和发射速度,然后利用步骤1中的行星解析星历模型,计算得到地球到水星的交会轨道。
优选地,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、金星和水星的轨道倾角为零,建立平面内椭圆型的行星解析星历模型;
步骤102:在该星历模型的基础上,假设任意时刻行星可在其轨道上任意点出现,构建以行星平近点角为独立变量的行星相位自由轨道模型;
步骤103:设定借力序列为地球-金星-金星-水星,其中第1次金星借力采用1:1共振飞越,第2次金星借力按照最低允许高度300 km飞越。
优选地,步骤2具体包括:
步骤201:假定发射速度与地球速度相反,在一定的范围内对发射相位和发射速度进行离散化,得到一系列网格点;
步骤202:以每个网格点为初始条件,利用行星相位自由轨道模型和探测器与行星轨道相交算法计算地球到金星的转移轨道,实现对金星的1:1共振借力;利用行星共振借力轨道算法计算和行星借力模型,计算金星到金星的转移轨道以及金星到水星的转移轨道,获得水星交会速度;
步骤203:完成所有网格点对应的转移轨道计算,绘制水星交会速度等高线图。
优选地,步骤3具体包括:
步骤301:根据水星交会速度等高线图,选取最小交会速度对应的最优发射相位和发射速度,得到发射相位、借力天体相位以及水星交会相位的最优相对相位;进一步利用行星解析星历模型计算,计算给定发射年份的具体发射时刻、发射位置和发射速度。
步骤302:设定地球到金星转移轨道的深空机动位于第1个近日点,以深空机动的脉冲速度为优化目标,利用多圈兰伯特算法优化计算转移圈数,计算地球到金星的转移轨道;紧接着利用行星共振借力算法,计算金星到进行的共振借力转移轨道。
步骤303:设定第2次金星借力的飞越高度为300 km,计算该次借力后探测器的日心轨道;以深空机动的脉冲速度为优化目标,对深空机动位置的真近点角和转移圈数进行优化计算得到金星到水星的转移轨道。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明中的方法基于行星相位自由轨道模型,提出一种网格化优化方法,有效解决了发射速度、发射相位、金星借力相位以及水星交会相位等主要参数的快速优化设计,显著地降低了水星交会脉冲轨道优化设计难度。
附图说明
图1为本发明实施例基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法的流程图。
图2为本发明实施例中基于行星相位自由轨道模型的水星交会轨道算例。
图3为本发明实施例中水星交会速度等高线图。
图4为本发明实施例中水星交会速度等高线图的最优值附近的放大图。
图5为本发明实施例中2026发射窗口的水星交会轨道。
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。
如图1所示,本发明实施例提供了一种基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法,包括如下步骤:
步骤1、建立平面内椭圆型的地球、金星和水星解析星历模型与相位自由轨道模型;设定探测器从地球出发后,通过对金星进行2次借力到达水星。具体的:
步骤101:以某一历元时刻的轨道根数为基准,设定地球、金星和水星的轨道倾角为零,建立平面内椭圆型的行星解析星历模型;
步骤102:在该星历模型的基础上,假设任意时刻行星可在其轨道上任意点出现,构建以行星平近点角为独立变量的行星相位自由轨道模型;
步骤103:设定借力序列为地球-金星-金星-水星,其中第1次金星借力采用1:1共振飞越,第2次金星借力按照最低允许高度300 km飞越。
步骤2、在一定的范围内离散化发射相位和发射速度形成一系列网格点;以每个网格点为初始条件计算地球到水星的交会轨道,绘制水星交会速度等高线图。具体的:
步骤201:假定发射速度与地球速度相反,在一定的范围内对发射相位和发射速度进行离散化,得到一系列网格点;
步骤202:以每个网格点为初始条件,利用行星相位自由轨道模型和探测器与行星轨道相交算法计算地球到金星的转移轨道,实现对金星的1:1共振借力。利用行星共振借力轨道算法计算和行星借力模型,计算金星到金星的转移轨道以及金星到水星的转移轨道,获得水星交会速度;
步骤203:完成所有网格点对应的转移轨道计算,绘制水星交会速度等高线图。
步骤3、利用水星交会速度等高线图,选取最优发射相位和发射速度,然后利用步骤1中的行星解析星历模型,计算得到地球到水星的交会轨道。具体的:
步骤301:根据水星交会速度等高线图,选取最小交会速度对应的最优发射相位和发射速度,得到发射相位、借力天体相位以及水星交会相位的最优相对相位。进一步利用行星解析星历模型计算,计算给定发射年份的具体发射时刻、发射位置和发射速度。
步骤302:设定地球到金星转移轨道的深空机动位于第1个近日点,以深空机动的脉冲速度为优化目标,利用多圈兰伯特算法优化计算转移圈数,计算地球到金星的转移轨道。紧接着利用行星共振借力算法,计算金星到进行的共振借力转移轨道。
步骤303:设定第2次金星借力的飞越高度为300 km,计算该次借力后探测器的日心轨道。以深空机动的脉冲速度为优化目标,对深空机动位置的真近点角和转移圈数进行优化计算得到金星到水星的转移轨道。
以下为基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法的数值仿真验证。
以2026年发射的水星交会转移轨道为设计对象,利用本发明中的方法进行优化设计。基于行星相位自由轨道模型,图2给出了探测器从地球出发,经过两次金星借力与水星交会整个过程的转移轨道算例。图3给出了水星交会速度等高线图。图4为水星交会速度等高线图最优值附近的放大图,图中: DSM表示深空机动;TOF表示飞行时间;表示发射速度;表示发射相位;表示水星交会速度。可以看出,通过两次金星借力,可将水星交会速度最低降至5.33 km/s。为了使运载发射能力尽可能小,同时保证一定的交会速度,在图3中选取发射速度为4.2 km/s,发射相位为197.8 deg,进而可以确定2026年发射窗口的具体发射时刻、发射速度、金星借力相位和水星交会相位。图5给出了2026发射窗口的水星交会轨道。表1和表2给出了该轨道的关键时间点和深空机动计算结果。可以看出,从地球出发到水星交会的转移时间为3.17年,脉冲速度增量为0.41 km/s。
表12026发射窗口的水星交会轨道关键时间点
表22026发射窗口的水星交会轨道深空机动
以2026年发射的水星交会轨道为设计对象,利用本发明中的方法进行优化设计,数值计算结果显示了该方法的有效性。
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 (4)
1.一种基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、建立平面内椭圆型的地球、金星和水星解析星历模型与相位自由轨道模型,设定探测器从地球出发后,通过对金星进行2次借力到达水星;
步骤2、在一定的范围内离散化发射相位和发射速度形成一系列网格点,以每个网格点为初始条件计算地球到水星的交会轨道,绘制水星交会速度等高线图;
步骤3、利用水星交会速度等高线图,选取最优发射相位和发射速度,然后利用步骤1中的行星解析星历模型,计算得到地球到水星的交会轨道。
2.根据权利要求1所述的基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法,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、金星和水星的轨道倾角为零,建立平面内椭圆型的行星解析星历模型;
步骤102:在该星历模型的基础上,假设任意时刻行星可在其轨道上任意点出现,构建以行星平近点角为独立变量的行星相位自由轨道模型;
步骤103:设定借力序列为地球-金星-金星-水星,其中第1次金星借力采用1:1共振飞越,第2次金星借力按照最低允许高度300 km飞越。
3.根据权利要求1所述的基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法,其特征在于:步骤2具体包括:
步骤201:假定发射速度与地球速度相反,在一定的范围内对发射相位和发射速度进行离散化,得到一系列网格点;
步骤202:以每个网格点为初始条件,利用行星相位自由轨道模型和探测器与行星轨道相交算法计算地球到金星的转移轨道,实现对金星的1:1共振借力;利用行星共振借力轨道算法计算和行星借力模型,计算金星到金星的转移轨道以及金星到水星的转移轨道,获得水星交会速度;
步骤203:完成所有网格点对应的转移轨道计算,绘制水星交会速度等高线图。
4.根据权利要求1所述的基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法,其特征在于:步骤3具体包括:
步骤301:根据水星交会速度等高线图,选取最小交会速度对应的最优发射相位和发射速度,得到发射相位、借力天体相位以及水星交会相位的最优相对相位;进一步利用行星解析星历模型计算,计算给定发射年份的具体发射时刻、发射位置和发射速度;
步骤302:设定地球到金星转移轨道的深空机动位于第1个近日点,以深空机动的脉冲速度为优化目标,利用多圈兰伯特算法优化计算转移圈数,计算地球到金星的转移轨道;紧接着利用行星共振借力算法,计算金星到进行的共振借力转移轨道;
步骤303:设定第2次金星借力的飞越高度为300 km,计算该次借力后探测器的日心轨道;以深空机动的脉冲速度为优化目标,对深空机动位置的真近点角和转移圈数进行优化计算得到金星到水星的转移轨道。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910595845.2A CN110489781B (zh) | 2019-07-03 | 2019-07-03 | 基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910595845.2A CN110489781B (zh) | 2019-07-03 | 2019-07-03 | 基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110489781A CN110489781A (zh) | 2019-11-22 |
CN110489781B true CN110489781B (zh) | 2022-12-13 |
Family
ID=68546564
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910595845.2A Active CN110489781B (zh) | 2019-07-03 | 2019-07-03 | 基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110489781B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112231943B (zh) * | 2020-12-17 | 2021-02-26 | 中国人民解放军国防科技大学 | 含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法与系统 |
CN113268809B (zh) * | 2021-04-26 | 2023-04-07 | 上海卫星工程研究所 | 太阳系边际探测电推进转移轨道设计方法及系统 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1843851A (zh) * | 2006-04-30 | 2006-10-11 | 哈尔滨工业大学 | 应用借力机制选择星际探测目标的探测器发射方法 |
CN102923322A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-02-13 | 北京理工大学 | 一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法 |
CN102923324A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-02-13 | 北京理工大学 | 基于不变流形与引力辅助的低能量行星逃逸轨道设计方法 |
CN102999616A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-03-27 | 北京理工大学 | 一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法 |
WO2017029566A1 (en) * | 2015-08-19 | 2017-02-23 | PIENAAR, Danie | Re-usable launch system and vehicle |
CN106815400A (zh) * | 2016-12-13 | 2017-06-09 | 上海卫星工程研究所 | 一种调轨方案自动化设计方法 |
CN107944084A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-04-20 | 北京理工大学 | 一种深空探测器行星借力飞行轨道评估方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7484690B2 (en) * | 2004-02-17 | 2009-02-03 | Iostar Corporation | In orbit space transportation and recovery system |
-
2019
- 2019-07-03 CN CN201910595845.2A patent/CN110489781B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1843851A (zh) * | 2006-04-30 | 2006-10-11 | 哈尔滨工业大学 | 应用借力机制选择星际探测目标的探测器发射方法 |
CN102923322A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-02-13 | 北京理工大学 | 一种基于等高线图的天体探测借力天体选择方法 |
CN102923324A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-02-13 | 北京理工大学 | 基于不变流形与引力辅助的低能量行星逃逸轨道设计方法 |
CN102999616A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-03-27 | 北京理工大学 | 一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法 |
WO2017029566A1 (en) * | 2015-08-19 | 2017-02-23 | PIENAAR, Danie | Re-usable launch system and vehicle |
CN106815400A (zh) * | 2016-12-13 | 2017-06-09 | 上海卫星工程研究所 | 一种调轨方案自动化设计方法 |
CN107944084A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-04-20 | 北京理工大学 | 一种深空探测器行星借力飞行轨道评估方法 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
"Dynamic modeling and vibration characteristics of a two stage closed-form planetary gear train";Lina Zhang.et al;《ELSEVIER》;20151231;第12-28页 * |
"基于不同动力引力辅助模型的木星转移轨道设计";杨彬等;《上海航天》;20190625;第36卷(第3期);第55-61页 * |
"木星系及行星际飞越探测的多次借力飞行轨道设计研究";田百义等;《航天器工程》;20181231;第27卷(第1期);第25-30页 * |
国志磊."基于引力辅助的深空探测轨道设计与优化研究".《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》.2018, * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110489781A (zh) | 2019-11-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Xie et al. | Spacecraft dynamics and control | |
CN105607478B (zh) | 地球静止轨道航天器电推进转移轨道控制方法 | |
CN109625323B (zh) | 一种卫星化学推进变轨方法及系统 | |
Gurfil et al. | The SAMSON Project–cluster flight and geolocation with three autonomous nano-satellites | |
CN109344449B (zh) | 航天器月地转移轨道逆向设计方法 | |
CN109592079A (zh) | 一种限定时间的航天器共面交会变轨策略确定方法 | |
CN105631095B (zh) | 一种等间隔发射的多约束地月转移轨道簇搜索方法 | |
CN101354251B (zh) | 一种深空探测器等效转移轨道确定方法 | |
CN110489779B (zh) | 一种木星探测借力飞行轨道优化设计方法 | |
CN100393585C (zh) | 应用借力机制选择星际探测目标的探测器发射方法 | |
CN102424119B (zh) | 基于多项式逼近的行星际小推力转移轨道设计方法 | |
CN106679674B (zh) | 基于星历模型的地月L2点Halo轨道阴影分析方法 | |
CN110489781B (zh) | 基于行星借力的水星交会脉冲轨道优化设计方法 | |
CN102923323B (zh) | 基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移设计方法 | |
CN105511493B (zh) | 一种基于火星大气辅助的低轨星座部署方法 | |
CN101226062B (zh) | 一种星上实时计算环月轨道的方法 | |
CN111731513B (zh) | 一种基于单脉冲轨控的高精度引力场中回归轨道维持方法 | |
CN103984236A (zh) | 天基布撒器异面轨道布撒控制方法 | |
CN101794336B (zh) | 一种考虑目标天体影响球的借力飞行仿真方法 | |
Lynam et al. | Interplanetary trajectories for multiple satellite-aided capture at Jupiter | |
CN103274066B (zh) | 从Halo轨道出发探测深空目标的逃逸轨道设计方法 | |
Zhang et al. | Shaping low-thrust multi-target visit trajectories via theory of functional connections | |
Chen et al. | Optimization of Earth-Mars transfer trajectories with launch constraints | |
Aravind et al. | Mission to retrograde geo-equatorial orbit (RGEO) using lunar swing-by | |
Folta et al. | Lunar prospector frozen orbit mission design |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |