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基于精确动力学模型的火星探测轨道设计研究

作　者: 李军锋
导　师: 李俊峰
学　校: 清华大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 火星探测 B平面中途修正捕获粒子群算法
分类号: V412.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

深空探测已成为世界航天活动的重要发展方向。火星是地球轨道外侧最靠近地球的行星，也是开展行星探测的首选目标。随着航天技术的发展，我国在完成月球探测后即将展开对于行星和小行星的深空探测任务。文本主要研究了火星探测直接转移任务的轨道设计及优化，为我国即将展开的火星探测提供参考。首先，直接转移轨道设计包括通过求解日心段转移问题确定发射窗口,基于圆锥曲线拼接法对地心段轨道参数和火心段轨道参数进行初步确定。然后，在精确动力学模型和相关的约束条件下，通过微分修正的方法对初始轨道参数进行了修正,得到由地球逃逸双曲线近地点到火星进入双曲线近火点的直接转移标称轨道。其次，在日心段轨道中途修正轨道设计中，考虑到误差传递的特性、到达火星的进入误差条件以及与火星隔离距离的要求，通过数值仿真方法，对探测器中途修正策略进行分析。根据探测器当前的状态参数可以进行轨道预报，得到终端状态的误差；通过蒙特卡洛仿真可以得到修正脉冲和修正后终端误差的统计特征随着修正时刻的变化情况。为了节省修正燃料消耗，修正时刻通常选取脉冲随修正时刻变化的极小值点。如果终端误差精度不满足要求，则需增加轨道修正次数。本文结合我国探测器的误差情况得到日心转移过程中需要四次轨道修正，修正策略和国外轨道设计策略相吻合。最后，对探测器的捕获问题进行了深入的研究。探测器经过日心段的转移到达火星影响球相对火星的速度的大小和方向近似为常数，根据脉冲模型的估计，探测器需先主动捕获到偏心率较大的椭圆轨道，然后通过气动减速至近圆形工作轨道。本文研究了探测器捕获后的目标轨道半长轴和偏心率给定情况下的燃料最优问题，求解最优控制对应的两点边值问题，得到燃料最优情况下的初始条件、捕获策略及燃料消耗。结果表明最优捕获策略为捕获发动机开机后以最大幅值工作至捕获结束，推力的方向近似沿着速度相反方向。为了满足工程需求，还利用粒子群算法对于轨道直接捕获过程中捕获发动机的姿态线性变化、惯性定向、沿着速度反向三种策略进行了参数的设计与优化，并且对比了燃料消耗量和误差对于结果的影响。然后，对于气动辅助策略进行了简要的分析。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
主要符号对照表  9-11
第1章引言  11-17
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外发展现状  12-15
    1.2.1 国外深空探测的发展  12-14
    1.2.2 我国的深空探测情况  14-15
  1.3 火星探测关键技术的研究方法  15-16
  1.4 本文的主要工作  16-17
第2章探测器的轨道设计与优化基础  17-26
  2.1 时间及坐标系系统  17-19
    2.1.1 时间系统  17
    2.1.2 坐标系系统  17-19
    2.1.3 星历数据  19
  2.2 深空轨道动力学模型  19-20
  2.3 深空探测器轨道根数及 B 平面参数  20-22
    2.3.1 深空探测器轨道根数  20-21
    2.3.2 B 平面参数  21-22
  2.4 参数优化方法  22-25
    2.4.1 间接法  22-24
    2.4.2 粒子群优化算法  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章火星探测器直接转移轨道设计  26-39
  3.1 轨道参数初步设计  26-36
    3.1.1 日心轨道设计和发射窗口选择  26-29
    3.1.2 地心段参数的确定  29-35
    3.1.3 火心段参数的确定  35-36
  3.2 精确动力学模型下微分修正  36-38
  3.3 本章小结  38-39
第4章中途修正  39-58
  4.1 国外型号的中途修正  39-41
  4.2 中途修正的基础理论  41-44
  4.3 日心轨道中途修正设计  44-47
    4.3.1 各阶段的误差及终端指标  44-45
    4.3.2 目标参数的偏置  45-47
  4.4 中途修正策略分析  47-57
    4.4.1 发射入轨分析  48-49
    4.4.2 第一次修正分析  49-52
    4.4.3 第二次中途修正分析  52-55
    4.4.4 第三次中途修正分析  55-56
    4.4.5 第四次中途修正分析  56-57
  4.5 本章小结  57-58
第5章行星探测器的捕获问题  58-81
  5.1 捕获问题的初始条件及脉冲推力的模型分析  58-62
  5.2 主动捕获技术研究  62-73
    5.2.1 燃料最优捕获策略  62-65
    5.2.2 推力惯性定向的燃料最优轨道  65-68
    5.2.3 推力沿着速度反向情况下的燃料最优轨道  68-69
    5.2.4 卫星姿态角速度保持恒定情况  69-71
    5.2.5 改变近火点幅角的燃料代价  71-72
    5.2.6 误差对于捕策略的影响  72-73
  5.3 气动捕获问题  73-80
    5.3.1 大气密度模型  74
    5.3.2 减速策略  74-78
    5.3.3 气动减速策略分析  78-80
  5.4 本章小结  80-81
第6章结论与展望  81-82
  6.1 研究总结  81
  6.2 展望  81-82
第7章参考文献  82-85
第8章致谢  85-87
第10章个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  87

基于精确动力学模型的火星探测轨道设计研究

内容摘要

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