本文關(guān)鍵詞：深空探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）》 2010年

深空借力飛行/小推力軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李小玉  

【摘要】： 深空探測(cè)作為未來(lái)航天發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)領(lǐng)域,太陽(yáng)探測(cè)、月球探測(cè)、小行星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)都已開(kāi)始實(shí)施或提上日程。深空探測(cè)軌道設(shè)計(jì)作為深空探測(cè)任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一,如何滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)約束條件的基礎(chǔ)上以最低的能量代價(jià)完成預(yù)定的探測(cè)目標(biāo)是研究的重點(diǎn)。本文主要研究和討論了借力飛行和小推力軌道設(shè)計(jì)建模及優(yōu)化算法,并開(kāi)發(fā)了借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件。具體而言,主要包括以下幾個(gè)部分: 首先,文中研究了傳統(tǒng)借力飛行軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題。按照?qǐng)A錐曲線拼接法,借力飛行軌道設(shè)計(jì)主要包括日心轉(zhuǎn)移軌道段和借力天體飛越軌道段。對(duì)于日心轉(zhuǎn)移軌道段的求解,已知發(fā)射時(shí)間和到達(dá)時(shí)間,通過(guò)查詢星歷即可將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解已知飛行時(shí)間和初末位置的Lambert問(wèn)題。在借力天體影響球內(nèi)探測(cè)器的軌道為雙曲線軌道。文中討論了借力前后探測(cè)器速度、能量和軌道傾角的變化,并推導(dǎo)給出了軌道傾角變化的解析計(jì)算方法。 其次,文中研究了附加脈沖機(jī)動(dòng)的借力飛行軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題�；贑3軟匹配思想,附加脈沖機(jī)動(dòng)的借力飛行允許在借力點(diǎn)處施加脈沖機(jī)動(dòng)已取得期望的借力效果。文中首先結(jié)合具體算例對(duì)附加脈沖對(duì)借力前后探測(cè)器的速度、能量、角動(dòng)量進(jìn)行了分析。隨后結(jié)合軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題,文中對(duì)附加脈沖的求解進(jìn)行了建模,該問(wèn)題的優(yōu)化為多變量非線性優(yōu)化問(wèn)題。結(jié)合月球借力飛行設(shè)計(jì)算例,本文利用遺傳算法和二次規(guī)劃算法對(duì)附加脈沖機(jī)動(dòng)的大小、方向和位置進(jìn)行了求解,證明了該建模的有效性。 隨后,對(duì)借力飛行軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題的優(yōu)化算法進(jìn)行了研究。本文提出了結(jié)合圖形分析方法與發(fā)射窗口搜索的借力飛行軌道設(shè)計(jì)策略。圖形分析法采用P-Rp曲線確定借力目標(biāo)的序列,并利用能量等高線圖確定設(shè)計(jì)參數(shù)的可行域和時(shí)序,為搜索發(fā)射窗口提供了參考初值,避免了傳統(tǒng)方法對(duì)借力交會(huì)目標(biāo)序列和初始軌道段的假設(shè)。針對(duì)借力飛行發(fā)射窗口搜索問(wèn)題,本文提出了結(jié)合梯度修正的遺傳算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。首先,利用遺傳算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行全局優(yōu)化,之后再利用發(fā)射能量對(duì)設(shè)計(jì)飛行時(shí)間參數(shù)的梯度進(jìn)行局部精確搜索,文中對(duì)該混合設(shè)計(jì)方法給出了具體的計(jì)算流程。 針對(duì)小推力軌道設(shè)計(jì)建模與優(yōu)化問(wèn)題,文中用最優(yōu)控制理論的龐德李亞金極大值原理對(duì)小推力軌道設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析,將小推力軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題歸結(jié)為非線性微分方程的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題。文中給出了改進(jìn)春分點(diǎn)軌道根數(shù)模型下的小推力最優(yōu)控制率表達(dá)式。之后,文中研究了兩種小推力軌道設(shè)計(jì)方法:混合法和標(biāo)稱軌道法。 混合法引入了協(xié)狀態(tài)變量和協(xié)狀態(tài)方程,但在求解過(guò)程中舍棄了橫截條件,將協(xié)狀態(tài)量的初值作為待優(yōu)化參數(shù),將微分方程的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題,提高了問(wèn)題的收斂性。隨后文中結(jié)合近地LEO-GEO小推力轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)實(shí)例,利用混合法進(jìn)行優(yōu)化,給出了轉(zhuǎn)移過(guò)程中小推力發(fā)動(dòng)機(jī)的控制率。 標(biāo)稱軌道法引入了標(biāo)稱軌道的概念,將小推力軌道在Kepler標(biāo)稱軌道附近線性化,根據(jù)線性系統(tǒng)理論推導(dǎo)了解析形式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,之后利用最優(yōu)控制理論推導(dǎo)得到了小推力最優(yōu)控制率。在太陽(yáng)高緯度探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)中,利用該方法設(shè)計(jì)了小推力轉(zhuǎn)移軌道,并結(jié)合了文中提出的借力飛行軌道傾角確定算法,通過(guò)木星借力實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)極軌軌道的設(shè)計(jì)任務(wù)。 最后介紹了基于前述借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化方法開(kāi)發(fā)的軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件。該軟件用Matlab開(kāi)發(fā)完成,使用方便,用戶界面友好。軟件基于前文中所述的借力飛行軌道設(shè)計(jì)策略,采用模塊化設(shè)計(jì),由計(jì)算模塊、星歷模塊、用戶界面模塊和輸出模塊組成。軟件的基本功能包括求解Lambert問(wèn)題、繪制能量等高線圖、搜索直接轉(zhuǎn)移發(fā)射窗口、繪制P-Rp圖和借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化等借力飛行軌道設(shè)計(jì)需要用到的基本分析手段和優(yōu)化方法,文中結(jié)合EMJ軌道設(shè)計(jì)算例對(duì)軟件的功能進(jìn)行了說(shuō)明,驗(yàn)證了前文中所述軌道設(shè)計(jì)策略的有效性。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：V412.41
【目錄】：

摘要5-7

Abstract7-18

第1章 緒論18-32

1.1 課題背景和意義18-29

1.1.1 深空探測(cè)任務(wù)及轉(zhuǎn)移軌道方案綜述19-24

1.1.2 借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化方法綜述24-26

1.1.2.1 借力飛行機(jī)理研究24-25

1.1.2.2 借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化方法25-26

1.1.3 小推力軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化方法綜述26-29

1.1.3.1 動(dòng)力學(xué)模型處理27

1.1.3.2 小推力轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化方法27-29

1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容29-32

第2章 深空軌道動(dòng)力學(xué)模型32-40

2.1 軌道動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系32-33

2.2 探測(cè)器的攝動(dòng)方程33-36

2.2.1 笛卡爾坐標(biāo)系下的軌道攝動(dòng)模型33-34

2.2.2 經(jīng)典Kepler 軌道根數(shù)攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程34-35

2.2.3 改進(jìn)春分點(diǎn)軌道根數(shù)攝動(dòng)方程35-36

2.3 星歷數(shù)據(jù)36-40

第3章 借力飛行軌道設(shè)計(jì)40-50

3.1 星際轉(zhuǎn)移軌道40-44

3.2 借力點(diǎn)處飛越軌道44-50

第4章 附加脈沖機(jī)動(dòng)的借力飛行軌道設(shè)計(jì)50-60

4.1 附加脈沖機(jī)動(dòng)的借力飛行機(jī)理50-55

4.2 附加脈沖機(jī)動(dòng)的借力飛行問(wèn)題求解55-60

第5章 借力飛行軌道優(yōu)化60-72

5.1 借力飛行圖形分析方法60-63

5.1.1 能量等高線圖60-62

5.1.2 P-Rp 圖62-63

5.2 借力飛行軌道混合優(yōu)化方法63-72

5.2.1 目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)約束64-65

5.2.2 基于遺傳算法的全局優(yōu)化65-67

5.2.3 基于解析梯度的局部?jī)?yōu)化67-72

第6章 小推力軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化72-82

6.1 小推力軌道設(shè)計(jì)最優(yōu)控制問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述72-74

6.2 基于混合法小推力軌道設(shè)計(jì)74-76

6.2.1 混合法理論基礎(chǔ)74-75

6.2.2 設(shè)計(jì)算例75-76

6.3 基于標(biāo)稱軌道法的小推力軌道設(shè)計(jì)76-82

6.3.1 標(biāo)稱軌道法理論基礎(chǔ)77-78

6.3.2 設(shè)計(jì)算例78-82

第7章 借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件82-94

7.1 軟件的層次結(jié)構(gòu)82-84

7.2 軟件的功能及接口84-89

7.3 設(shè)計(jì)實(shí)例89-94

第8章 結(jié)論94-96

參考文獻(xiàn)96-100

致謝100

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【共引文獻(xiàn)】

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4 崔祜濤;喬棟;;基于地球借力的小行星探測(cè)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)與分析[A];中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

5 寧曉琳;馬辛;金光遠(yuǎn);;借力飛行探測(cè)器自主導(dǎo)航系統(tǒng)軌道模型精度分析[A];中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第八屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上篇）[C];2011年

6 鄭建華;吳霞;李小玉;張藝騰;;“螢火一號(hào)”軌道設(shè)計(jì)與科學(xué)探測(cè)事件分析[A];第二十三屆全國(guó)空間探測(cè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要集[C];2010年

7 李爽;;深空任務(wù)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法綜述[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

8 劉強(qiáng);;雙星軌道設(shè)計(jì)與過(guò)境分析[A];中國(guó)地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃科學(xué)研討會(huì)論文摘要[C];2002年

9 杜蘭;陳世杰;于亮;范民強(qiáng);;深空多任務(wù)軌道設(shè)計(jì)初探[A];中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2010年

10 伊成俊;劉林;戴光明;羅剛橋;王立;史旺林;周璐;劉宇飛;;火星探測(cè)任務(wù)軌道設(shè)計(jì)[A];中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2010年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 湯亞南　劉俊麗;[N];大眾科技報(bào);2010年

2 鐵四院 孫立;[N];中國(guó)鐵道建筑報(bào);2010年

3 記者　 周武;[N];中國(guó)航天報(bào);2006年

4 章軻;[N];第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào);2007年

5 廖文根;[N];人民日?qǐng)?bào);2007年

6 中國(guó)空間技術(shù)研究院《神舟報(bào)》主編 高級(jí)政工師 孫宏金;[N];中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào);2007年

7 通訊員 洪杰雄　魏芳;[N];中華建筑報(bào);2009年

8 本報(bào)記者 高柱　通訊員 楊軍 肖力紅;[N];工人日?qǐng)?bào);2010年

9 龐之浩;[N];大眾科技報(bào);2007年

10 朝格圖;[N];南方周末;2007年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 沈欣;光學(xué)遙感衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];武漢大學(xué);2012年

2 李明濤;共線平動(dòng)點(diǎn)任務(wù)節(jié)能軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）;2010年

3 喬棟;深空探測(cè)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法研究及在小天體探測(cè)中的應(yīng)用[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

4 趙玉暉;深空探測(cè)中的軌道設(shè)計(jì)和軌道力學(xué)[D];南京大學(xué);2012年

5 郗曉寧;月球探測(cè)器軌道動(dòng)力學(xué)及其設(shè)計(jì)[D];中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái);2000年

6 左艷軍;分布式小衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)高分辨率成像算法研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（電子學(xué)研究所）;2007年

7 杏建軍;編隊(duì)衛(wèi)星周期性相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道設(shè)計(jì)與構(gòu)形保持研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

8 高玉東;月球探測(cè)器地月空間轉(zhuǎn)移軌道研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

9 李楨;載人火星探測(cè)任務(wù)軌道和總體方案研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

10 徐愛(ài)民;分布式衛(wèi)星干涉儀軌道設(shè)計(jì)[D];解放軍信息工程大學(xué);2009年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 李小玉;深空借力飛行/小推力軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）;2010年

2 馬文臻;深空探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）;2006年

3 趙國(guó)強(qiáng);深空探測(cè)飛行任務(wù)軌道設(shè)計(jì)[D];清華大學(xué);2011年

4 陶濤;復(fù)雜結(jié)構(gòu)井軌道設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D];西安石油大學(xué);2011年

5 李軍鋒;基于精確動(dòng)力學(xué)模型的火星探測(cè)軌道設(shè)計(jì)研究[D];清華大學(xué);2012年

6 阮開(kāi)利;小型月球探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)[D];西北工業(yè)大學(xué);2001年

7 江剛武;航天器軌道設(shè)計(jì)與分析仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D];中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué);2003年

8 楊學(xué)彬;基于三體模型的星際軌道設(shè)計(jì)和控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

9 葛春生;深空探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)與修正方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

10 謝金華;遙感衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)[D];中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué);2005年

  本文關(guān)鍵詞：深空探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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