月球及月球以遠(yuǎn)的深空探測(cè)再次成為各國(guó)航天活動(dòng)的焦點(diǎn),同上世紀(jì)六七十年代舉國(guó)體制的航天活動(dòng)不同的是,現(xiàn)代深空探測(cè)對(duì)任務(wù)的低成本提出了迫切需求,尤其隨著以立方星為代表的微納衛(wèi)星技術(shù)的日漸成熟,利用微納衛(wèi)星及其編隊(duì)進(jìn)行深空探測(cè)任務(wù)備受青睞。衛(wèi)星軌道的分析、設(shè)計(jì)與控制是航天任務(wù)最先切入點(diǎn)并貫穿始終,尤其是對(duì)攝動(dòng)的處理是軌道相關(guān)研究的重點(diǎn),與地球衛(wèi)星不同,月球衛(wèi)星受到的C_(22)攝動(dòng)與J_2攝動(dòng)相當(dāng),且三體攝動(dòng)顯著,針對(duì)地球衛(wèi)星軌道的研究成果無(wú)法直接應(yīng)用。本論文以月球軌道超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星項(xiàng)目為背景開展研究,面向微納衛(wèi)星編隊(duì)月球探測(cè)任務(wù),探討復(fù)雜攝動(dòng)下的長(zhǎng)期軌道演化、編隊(duì)飛行長(zhǎng)期有界條件、環(huán)境力編隊(duì)控制等相關(guān)問(wèn)題,以期減弱攝動(dòng)影響,并進(jìn)而降低微納衛(wèi)星月球探測(cè)任務(wù)的長(zhǎng)期燃料消耗。主要完成以下內(nèi)容:在任務(wù)軌道設(shè)計(jì)時(shí)攝動(dòng)力建模越精細(xì),設(shè)計(jì)出的軌道越貼近實(shí)際,從而用于后期軌道保持的燃料消耗越小。為此,考慮月球J_2、C_(22)以及地球三體攝動(dòng)等影響,提出了一種基于von-Zeipel變換的多攝動(dòng)影響下月球衛(wèi)星平瞬軌道根數(shù)顯式轉(zhuǎn)換和平均軌道動(dòng)力學(xué)建模方法。該方法在構(gòu)建月球J_2、C_(22)以及三體攝動(dòng)等的哈密頓函數(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)von-Zeipel正則變換利用生成函數(shù)依次消除月球衛(wèi)星軌道平近點(diǎn)角和地球相對(duì)月球軌道的軌道平近點(diǎn)角等角變量,基于哈密頓函數(shù)不變性約束確定消除短周期項(xiàng)和中周期項(xiàng)的顯式生成函數(shù)和平均哈密頓方程,進(jìn)而建立平瞬軌道根數(shù)顯式轉(zhuǎn)換關(guān)系和平均軌道動(dòng)力學(xué)模型。將上述成果應(yīng)用于月球衛(wèi)星凍結(jié)軌道設(shè)計(jì),給出了約束平均軌道偏心率、軌道傾角以及近地點(diǎn)幅角等不變的凍結(jié)軌道條件,為月球探測(cè)任務(wù)軌道設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。最后,開展了數(shù)值仿真,結(jié)果表明所提出的平瞬軌道根數(shù)轉(zhuǎn)換更為精確,設(shè)計(jì)的凍結(jié)軌道更為穩(wěn)定。成員衛(wèi)星長(zhǎng)期保持在有界范圍內(nèi)是編隊(duì)飛行的必要條件,考慮J_2、C_(22)以及地球三體攝動(dòng)等影響,提出了編隊(duì)衛(wèi)星平均距離計(jì)算方法,給出了平均距離保持不變的月球凍結(jié)軌道衛(wèi)星編隊(duì)有界條件解析表達(dá)式和一種基于優(yōu)化模型的月球任意軌道衛(wèi)星編隊(duì)長(zhǎng)期有界條件設(shè)計(jì)方法。在復(fù)雜攝動(dòng)影響下的凍結(jié)軌道平均動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用其指數(shù)矩陣函數(shù)形式解推導(dǎo)出平均距離的解析表達(dá)式,進(jìn)而推導(dǎo)出月球凍結(jié)軌道編隊(duì)相對(duì)距離不變的解析有界條件。針對(duì)主星為任意軌道的情況,利用平均距離解析表達(dá)式構(gòu)建了以各階運(yùn)動(dòng)狀態(tài)二次項(xiàng)加權(quán)為目標(biāo)函數(shù)、以初始相對(duì)距離為約束的優(yōu)化模型,利用拉格朗日乘子法求解得到編隊(duì)長(zhǎng)期有界的約束條件,并討論了目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重因子對(duì)有界條件設(shè)計(jì)的影響。最后,針對(duì)主星位低軌和高軌、凍結(jié)與非凍結(jié)軌道等多種編隊(duì)場(chǎng)景進(jìn)行仿真,結(jié)果表明本文給出的解析有界條件依賴于平均相對(duì)距離的計(jì)算精度,使其更適用設(shè)計(jì)軌道凍結(jié)軌道編隊(duì),而基于優(yōu)化的有界條件設(shè)計(jì)方法對(duì)平均相對(duì)距離的計(jì)算精度依賴更小,適用于各類型月球軌道編隊(duì),為編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。月球高軌衛(wèi)星受到的地球三體攝動(dòng)遠(yuǎn)大于其他攝動(dòng),選擇月球高軌可降低非中心引力場(chǎng)攝動(dòng)的影響。為此,考慮地球的軌道偏心率、軌道傾角等影響下的一般三體攝動(dòng)模型,通過(guò)一次平均消除一般三體攝動(dòng)對(duì)月球高軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的短周期影響,并采用級(jí)數(shù)分析法和數(shù)值仿真對(duì)長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定性與定量分析,得到了編隊(duì)衛(wèi)星軌道間偏心率、軌道傾角以及升交點(diǎn)赤經(jīng)之差引起了一次平均相對(duì)距離大周期震蕩的主要結(jié)論,進(jìn)一步約束上述差分軌道參數(shù)、一次平均相對(duì)速率等變化,推導(dǎo)得到了解析化的月球高軌衛(wèi)星編隊(duì)長(zhǎng)期有界條件。最后,通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。為進(jìn)一步降低微納衛(wèi)星編隊(duì)控制的燃料消耗,采用太陽(yáng)光壓等環(huán)境力進(jìn)行月球衛(wèi)星軌道控制是一種可行的技術(shù)途徑。為此,采用平均軌道根數(shù)作為反饋控制變量,提出了一種利用差分太陽(yáng)光壓的月球衛(wèi)星編隊(duì)有界保持控制切換律,并利用有限時(shí)間穩(wěn)定性理論證明了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該控制律能夠根據(jù)相對(duì)軌道跡向上平均相對(duì)距離的變化趨勢(shì),對(duì)太陽(yáng)光壓投影面積進(jìn)行調(diào)節(jié),以產(chǎn)生差分太陽(yáng)光壓抑制跡向上相對(duì)距離的增長(zhǎng),進(jìn)而達(dá)到無(wú)耗燃衛(wèi)星軌道編隊(duì)控制的目的。采用級(jí)數(shù)分析方法研究J_2、C_(22)、三體攝動(dòng)、太陽(yáng)光壓攝動(dòng)下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,結(jié)果表明通過(guò)差分太陽(yáng)光壓調(diào)整差分軌道半長(zhǎng)軸能夠有效消除相對(duì)距離增加,控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真驗(yàn)證了所提出的控制方法可以減緩相對(duì)距離的長(zhǎng)期增加,使編隊(duì)幾年內(nèi)都能夠保證相對(duì)穩(wěn)定。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V448.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2817089