CN111737814B - 一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为公开的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,属于航空航天技术领域。本发明实现方法:建立地月旋转坐标系和三体动力学,求解周期轨道的状态转移矩阵特征根和特征向量。通过平衡点附近的周期轨道生成不稳定流形,选择靠近月球的不稳定流形,利用微分修正求解离轨机动,获得满足近月点约束的转移轨道,探测器施加相应机动使探测器转移至近月点。利用微分修正求解近月点机动,获得满足近地点约束的月地转移轨道,施加机动充分利用月球的引力作用,探测器施加相应机动使探测器转移至近地点。根据逃逸速度需求,探测器在近地点再次施加机动,施加机动充分利用地月的引力作用,降低探测器从周期轨道逃逸地月系统的速度增量。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,尤其适用于从地月L2点轨道 出发从地球逃逸的轨道选择和逃逸速度评估方法,属于航空航天技术领域。
背景技术
地月平衡点L2点具有良好的动力学特性,适合部署中继星用于月球背面的探测器与地球 中继通信与数据传输,同时由于平衡点周期轨道较高的轨道能量,从平衡点周期轨道出发逃 逸地球进行深空探测,相比从地球轨道直接出发所需的燃料消耗更少,因此也可作为空间站 或探测器的停泊轨道。为了实现从平衡点周期轨道出发的深空探测,需要设计逃逸轨道。
已发展的关于转移轨道误差修正,在先技术[1](Wang Y,Zhang Y,Qiao D,et al.Transfer to near-Earth asteroids from a lunar orbit via Earth flyby anddirect escaping trajectories[J].Acta Astronautica,2017,133:177-184.)研究了从环月轨 道出发逃逸探测小行星的轨道选择,通过优化出发脉冲大小和速度方向实现探测器从地月系 统逃逸,但该方案不适合从平衡点轨道出发的逃逸轨道选择。
在先技术[2](参见:Nakamiya M,Yamakawa H,Scheeres D J,etal.Interplanetary transfers between halo orbits:connectivity between escapeand capture trajectories[J].Journal of guidance,control,and dynamics,2010,33(3):803-813.) 研究了利用平衡点不稳定流形逃逸的转移轨道,但该方法的逃逸效率较低,随着所需逃逸速 度的增大,燃料消耗明显增加。
发明内容
本发明公开的目的是提供一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,充分利用地月 的引力作用,降低探测器从周期轨道逃逸地月系统所需的速度增量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的:
本发明为公开的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,建立地月旋转坐标系和 三体动力学,求解周期轨道的状态转移矩阵特征根和特征向量。通过平衡点附近的周期轨道 生成不稳定流形,选择靠近月球的不稳定流形,利用微分修正求解离轨机动,获得满足近月 点约束的转移轨道,探测器施加相应机动使探测器转移至近月点。利用微分修正求解近月点 机动,获得满足近地点约束的月地转移轨道,所述施加机动充分利用月球的引力作用,探测 器施加相应机动使探测器转移至近地点。根据逃逸速度需求,探测器在近地点再次施加机动, 所述施加机动充分利用地月的引力作用,降低探测器从周期轨道逃逸地月系统所需的速度增 量。
本发明为公开的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,包括如下步骤:
步骤一:建立地月旋转坐标系和三体动力学,求解周期轨道的状态转移矩阵特征根和特 征向量。
选择地球-月球系统的质心作为原点建立坐标系,选择X轴为地球与月球连线方向,由地 球指向月球,Z轴为系统旋转的角速度方向,Y轴与X,Z轴垂直构成右手坐标系;
探测器在该系统下的动力学方程表示为,
定义Γ为周期轨道,计算周期轨道不同时刻的状态转移矩阵Φ(T,0),求解矩阵的特征 根λi(i=1,2,...,6)和特征向量si(i=1,2,...,6)。其中周期轨道存在一个大于1的特征根,记为 λu,对应的特征向量su,该特征向量为不稳定流形的运动方向。
步骤二,通过平衡点附近的周期轨道生成不稳定流形,选择靠近月球的不稳定流形,利 用微分修正求解离轨机动,获得满足近月点约束的转移轨道,探测器施加相应机动使探测器 转移至近月点。
平衡点附近的周期轨道在时刻T对应的状态为x0,对应的不稳定特征根和特征向量为 λu,su。则该点对应的不稳定流形的初始状态为,
xu=x0±dsu (2)
其中d为初始步长,d取值必须足够小确保线性化近似可行。根据生成的初值,利用方 程(1)数值积分,选择靠近月球一侧的不稳定流形,将流形积分至月球近月点,选择流形中 近月点高度较低的一条流形作为转移轨道,利用微分修正调整流形的初始状态,使转移轨道 满足近月点高度约束。
定义旋转系下转移轨道的初始位置速度为r0,v0,到达近月点的位置速度为rm,vm,状态转 移矩阵为Φf,对应的轨道高度为H=||rm-rM||-RM,其中rM为月球在旋转系下的位置向量, RM为月球半径。轨道高度偏差记为dH。Φf表示为分块矩阵形式,
终端状态变化对轨道高度的改变量M为,
轨道初始速度的该变量为,
Δv0=-NdH (3)
作为优选,选取归一化的步长范围为:1e-7至1e-5,进一步优选,取归一化的步长为d=1e-6。
作为优选,步骤二选择近月点高度较低的一条流形作为转移轨道,考虑到安全性,选择 近月点高度为100km。
步骤三、利用微分修正求解近月点机动,获得满足近地点约束的月地转移轨道Γ,所述 施加机动充分利用月球的引力作用,探测器施加相应机动使探测器转移至近地点。
采用步骤二相同的微分修正算法求解近月点机动Δv1,转移轨道在近月点施加机动Δv1, 使近地点高度尽可能低,获得满足近地点约束的月地转移轨道,探测器施加相应机动Δv1使探 测器转移至近地点,记轨道到达近地点的位置速度为
作为优选,步骤三中,考虑到安全性选择近地点高度高于200km,作为进一步优选,选 择近地点高度200km。
步骤四、根据逃逸速度需求,探测器在近地点再次施加机动,所述施加机动充分利用地 月的引力作用,降低探测器从周期轨道逃逸地月系统所需的速度增量。
探测器在近地点再次施加机动,所述施加机动充分利用地月的引力作用,降低探测器从 周期轨道逃逸地月系统所需的速度增量,且逃逸速度满足任务要求。
有益效果:
1、本发明公开的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,探测器在地月平衡点附 近周期轨道离轨、飞越近月点和近地点时分别施加机动,近月点机动充分利用月球引力作用, 近地点机动充分利用地球引力作用,降低逃逸地月系统所需的速度增量,所需的燃料消耗小。
2、本发明公开的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,在三体旋转坐标系下进 行地月系统逃逸轨道设计,始终考虑地月引力对逃逸轨道的影响,得到的地月系统逃逸轨道 精度高。
3、本发明公开的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,利用微分修正对近心点 高度进行修正,与打靶法相比,修正过程简单,能够提高修正效率。
附图说明
图1本发明公开的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法流程示意图。
图2本发明实例中选择的周期轨道不稳定流形示意图。
图3本发明实例中地月旁近逃逸轨道。
图4本发明实例中地月旁近逃逸轨道与直接逃逸所需速度增量随逃逸速度变化对比图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点,下面通过对地月L2点转移轨道的误差修正进行 实例分析,对本发明做出详细解释。
实施例1:
如图1所示,本实施例公开的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,具体实现 步骤如下:
步骤一:建立地月旋转坐标系和三体动力学,求解周期轨道的状态转移矩阵特征根和特 征向量。
选择地球-月球系统的质心作为原点建立坐标系,选择X轴为地球与月球连线方向,由地 球指向月球,Z轴为系统旋转的角速度方向,Y轴与X,Z轴垂直构成右手坐标系;
探测器在该系统下的动力学方程表示为,
定义Γ为周期轨道,计算周期轨道不同时刻的状态转移矩阵Φ(T,0),求解矩阵的特征 根λi(i=1,2,...,6)和特征向量si(i=1,2,...,6)。其中周期轨道存在一个大于1的特征根,记为 λu,对应的特征向量su,该特征向量为不稳定流形的运动方向。选择振幅13000km的周期轨 道。
步骤二,通过平衡点附近的周期轨道生成不稳定流形,选择靠近月球的不稳定流形,利 用微分修正求解离轨机动,获得满足近月点约束的转移轨道,探测器施加相应机动使探测器 转移至近月点。
轨道在时刻T对应的状态为x0,对应的不稳定特征根和特征向量为λu,su。则该点对应 的不稳定流形的初始状态为,
xu=x0±dsu (2)
其中d为初始步长,d取值必须足够小确保线性化近似可行,选取归一化的步长d=1e-6。 根据生成的初值,利用方程(1)数值积分,选择靠近月球一侧的不稳定流形,将流形积分至 月球近月点,图2给出靠近月球一支的不稳定流形。选择近月点高度较低的一支流形作为转 移轨道,通常考虑到安全性,选择近月点高度100km,利用微分修正调整流形的初始状态, 使转移轨道满足近月点高度约束。
定义旋转系下转移轨道的初始位置速度为r0,v0,到达近月点的位置速度为rm,vm,状态转 移矩阵为Φf,对应的轨道高度为H=||rm-rM||-RM,其中rM为月球在旋转系下的位置向量, RM为月球半径。轨道高度偏差记为dH。Φf表示为分块矩阵形式 A,B,C,D均为3×3矩阵。
终端状态变化对轨道高度的改变量M为,
轨道初始速度的改变量为,
Δv0=-NdH (3)
其中N为M的广义逆矩阵。通过多次迭代即可得到满足轨道高度约束ΔH=0的转移轨道, 对应的初始位置速度为r0,到达近月点的位置速度为在周期轨道施加的离轨机动为通过优化得,转移轨道出发所需的速度增量为124.2m/s,转移时间为10.29天。
步骤三、利用微分修正求解近月点机动,获得满足近地点约束的月地转移轨道,所述施 加机动充分利用月球的引力作用,探测器施加相应机动使探测器转移至近地点。
转移轨道在近月点施加机动Δv1,对转移轨道积分至地球近地点,采用步骤二中相同的方 法修正近地点高度,使近地点高度尽可能低,通常考虑到安全性,选择近地点高度200km, 记轨道到达近地点的位置速度为实例中给出的转移轨道近月点速度增量为176.1m/s, 到达近地点速度为10.94km/s。
步骤四、根据逃逸速度需求,探测器在近地点再次施加机动,所述施加机动充分利用地 月的引力作用,降低探测器从周期轨道逃逸地月系统所需的速度增量。
当探测器所需的逃逸速度为v∞,探测器在近地点相对地球的速度为则在近地 点施加速度增量其中rp为近地点高度,μe为地球的引力常数。探测器 施加近地点机动,实现地月系统逃逸,且逃逸速度满足任务要求。探测器逃逸所需的总速度 增量为Δv=Δv1+Δv2+Δv3。
取逃逸速度为1.74km/s,则对应的近地点速度增量为199.7m/s。总速度增量为500m/s, 作为对比,从周期轨道直接逃逸所需的速度增量为1.2km/s,利用地月旁近可以节约速度增 量近60%,降低了燃料消耗。图4给出了不同逃逸速度下所需的速度增量情况。
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所 应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例,用于解释本发明,并不用于限定本发明的 保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含 在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,其特征在于:包括如下步骤,
步骤一:建立地月旋转坐标系和三体动力学,求解周期轨道的状态转移矩阵特征根和特征向量;
步骤二,通过平衡点附近的周期轨道生成不稳定流形,选择靠近月球的不稳定流形,利用微分修正求解离轨机动,获得满足近月点约束的转移轨道,探测器施加相应机动使探测器转移至近月点;
步骤二实现方法为,
平衡点附近的周期轨道在时刻T对应的状态为x0,对应的不稳定特征根和特征向量为λu,su;则该点对应的不稳定流形的初始状态为,
xu=x0±dsu (2)
其中d为初始步长;根据生成的初值,利用方程(1)数值积分,选择靠近月球一侧的不稳定流形,将流形积分至月球近月点,选择流形中近月点高度较低的一条流形作为转移轨道,利用微分修正调整流形的初始状态,使转移轨道满足近月点高度约束;
定义旋转系下转移轨道的初始位置速度为r0,v0,到达近月点的位置速度为rm,vm,状态转移矩阵为Φf,对应的轨道高度为H=||rm-rM||-RM,其中rM为月球在旋转系下的位置向量,RM为月球半径;轨道高度偏差记为dH;Φf表示为分块矩阵形式,
终端状态变化对轨道高度的改变量M为,
轨道初始速度的该变量为,
Δv0=-NdH (3)
步骤三、利用微分修正求解近月点机动,获得满足近地点约束的月地转移轨道,施加机动充分利用月球的引力作用,探测器施加相应机动使探测器转移至近地点;
步骤四、根据逃逸速度需求,探测器在近地点再次施加机动,所述施加机动充分利用地月的引力作用,降低探测器从周期轨道逃逸地月系统所需的速度增量;
步骤四实现方法为,
探测器在近地点再次施加机动,所述施加机动充分利用地月的引力作用,降低探测器从周期轨道逃逸地月系统所需的速度增量,且逃逸速度满足任务要求。
2.如权利要求1所述的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,其特征在于:步骤一实现方法为,
选择地球-月球系统的质心作为原点建立坐标系,选择X轴为地球与月球连线方向,由地球指向月球,Z轴为系统旋转的角速度方向,Y轴与X,Z轴垂直构成右手坐标系;
探测器在该系统下的动力学方程表示为,
定义Γ为周期轨道,计算周期轨道不同时刻的状态转移矩阵Φ(T,0),求解矩阵的特征根λi和特征向量si,i=1,2,...,6;其中周期轨道存在一个大于1的特征根,记为λu,对应的特征向量su,该特征向量为不稳定流形的运动方向。
4.如权利要求3所述的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,其特征在于:选取归一化的步长范围为:1e-7至1e-5;
步骤三中,考虑到安全性选择近地点高度高于200km。
5.如权利要求4所述的一种利用地月旁近的平衡点周期轨道逃逸方法,其特征在于:
步骤二中,取归一化的步长为d=1e-6;
选择近月点高度较低的一条流形作为转移轨道,考虑到安全性,选择近月点高度为100km;
步骤三中,选择近地点高度200km。
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