月球探测器返回轨道特性分析

对月球探测器的返回轨道进行了建模与特性分析.在三维空间中建立了返回轨道的数学模型;对模型进行仿真分析得到从月球影响球东经80°出口的返回轨道最省能量等结论;根据模型及其特性给出初步轨道的算例,并以此结果为初值,在已有高精度动力学模型下搜索计算,较快地得到了精确轨道;通过两条轨道参数及空间形状的对比,证明文中解析方法的正确性.     

基于Gauss伪谱法和直接打靶法结合的月球定点着陆轨道优化

将一种求解最优控制问题的新方法—高斯伪谱法( Gauss Pseudospectral Method-GPM)和传统的直接打靶法有效结合,对月球着陆器定点软着陆轨道快速优化问题做出了研究.推导了高精度模型下着陆动力学方程.针对优化方法各自的特点和多约束条件下最优月球软着陆轨道设计的难点,提出了问题求解的串行优化策略:将控制变量和终端时间一同作为优化变量,同时离散控制变量与状态变量,取较少的Gauss节点,利用GPM求解初值,初值的求解采用从可行解到最优解的串行优化策略;在Gauss节点上离散控制变量,利用直接打靶法求解精确最优解.仿真结果表明,本文提出的轨道优化方法具有较强的鲁棒性和快速收敛性.     

基于STK的月球任务设计与仿真

利用拼接圆锥曲线法设计月球探测器轨道,一般将向月飞行轨道分为地心轨道、月心轨道和环月捕获等几个主要轨道段.分析了探测器在月球任务不同轨道段的轨道特点,给出了主要定轨参数.为方便进行目标对准,分析了建立辅助平面以实现月球捕获的方法.最后利用卫星工具包(Satellite Tool Kit, STK)软件对整个飞行过程进行了可视化仿真.对于今后的月球任务和深空探测任务具有应用价值.     

快速设计月球卫星转移轨道的一种代数法

提出了一种将圆锥曲线拼接法与历表相结合 ,快速设计月球卫星地月转移轨道的方法。此方法是一种无需轨道积分的纯代数计算方法 ,具有速度快、精度高的特点 ,可用于月球卫星转移轨道的初步设计。将初步设计获得的参数作为精确设计的初值 ,能大大缩短精确轨道设计参数的时间。     

双二体几何切面法及天梯地月转移轨道分析

双二体模型是求解地月转移轨道的重要基础。与传统的采用月球影响球入口点经纬度的描述方式不同,本文提出一种基于飞行轨道面参数来描述地月转移轨道的双二体模型几何表达方式,结合一维非线性方程求根算法Brent算法和Lambert原理,将原始三维球面搜索算法降维成为二维圆上的搜索算法,可以高效求解地月转移轨道的形状参数。为避免重复计算,将转移轨道窗口计算的轨道多变量搜索问题解耦分解成两个子问题——转移轨道形状参数求解问题和转移轨道面空间定向问题,降低了问题的求解维度。形成两级并行计算算法,充分发挥多核计算机算力,加速计算过程。仿真结果表明,基于提出的并行圆锥曲线几何切面法,可以成功应用于计算天梯地月转移轨道分析。     

载人登月自由返回轨道与Hybrid轨道设计方法

对自由返回轨道与Hybrid轨道的设计方法进行了研究。应用分段受摄的高精度动力学模型,设计了搜索变量、约束条件与微分修正搜索算法,搜索得到了自由返回轨道标称轨道,并使用STK软件对其进行了验证与三维仿真,最后对误差传递情况进行了分析。Hybrid轨道由自由返回与非自由返回轨道组合而成,文中给出了一条典型的Hybrid轨道设计过程,并对其优缺点进行了简要分析。文章所述方法与结论可应用于载人登月任务轨道设计,也可应用于嫦娥后期工程和搭载发射的微型月球探测器的轨道设计。     

大椭圆停泊轨道月球探测器发射窗口运动学约束特性分析及转移轨道快速设计方法

通过分析大椭圆停泊轨道月球探测器发射窗口的运动学约束特性,给出了转移轨道运动学约束对发射窗口的影响规律,进一步明确了在该种情况下月球探测器的发射机会和增加窗口的可能性.并结合发射窗口运动学约束特性,提出了一种基于大椭圆停泊轨道的地月转移轨道快速设计方法.仿真结果验证了大椭圆停泊轨道下探测器发射窗口运动学约束特性分析的正确性,以及转移轨道设计方法的有效性.     

登月探测器轨道计算的自动寻优设计

研究探测器从停泊轨道出发飞向月球并击中月球的轨道自动寻优设计问题。着重讨论登月轨道计算的自动寻优设计。最后给出实验结果。     

环月轨道交会的奔月方案

研究了基于环月轨道共面交会的载人奔月方案.飞行方案设计采取人货分离的原则,包括3次发射,2次环月轨道交会.采用精确轨道动力学模型,得到了满足共面交会约束的发射窗口,以及地月转移轨道特性.进行了3次飞行任务的合理编排和规模估算,结果表明该方案在能量和时间需求上具备可行性.     

基于双二体假设的载人登月混合轨道特性分析及设计

混合轨道是载人登月轨道的重要类型之一。利用混合轨道的组成特点,提出在双二体假设下以自由返回轨道为基础的混合轨道计算方法。主要对混合轨道的特性进行分析,给出混合轨道在能量消耗和飞行时间等方面的特性。在涉及月球运动的计算时,考虑月球运动的非圆性,对传统双二体假设略作修改。给出混合轨道的设计实例,仿真结果验证了本文提出方法的有效性。     

星际探测太阳帆行星和太阳借力轨道全局优化

以太阳帆在20年内飞行至距离太阳200 AU以远进行星际探测为目标,研究太阳帆通过行星借力和太阳借力的轨道全局优化问题。建立太阳帆时间最优转移轨道数学模型,分析行星借力和太阳借力的约束条件,并用这些约束条件构造目标函数,从而将轨道优化的四点边值问题转化为求解无约束条件下的多变量优化问题。通过选取合理的约束权重,采用遗传算法获得大范围的粗略解,代入到序列二次规划算法中获得高精度解。仿真结果表明,虽然太阳帆通过太阳借力已获得相当大的加速度,但加上木星借力仍然可以节省相当多的飞行时间。提出的轨道优化思路,可以为太阳系逃逸任务轨道初步设计提供参考。     

载人飞船上升段轨道的Newton迭代设计法

本文对载人飞船上升段轨道的一种工程设计方法进行了探讨。该方法的特点是根据上升段飞行的特征,运用飞行力学原理选定其控制规律的数学模型,然后根据上升段轨道的中间约束条件和终端约束条件,利用Newton迭代法确定模型中的各待定参数。本文给出了该设计方法的流程图,并通过模拟计算论证了该设计方法的可行性。     

基于多项式设计法的小推力轨迹设计

形状逼近法是小推力轨迹设计中的一种有效方法,然而现有的方法大都假定运动轨迹为某一特定的形状,而且没有考虑推力加速度的约束限制。针对小推力轨道交会问题,提出一种基于多项式的轨迹设计方法。结合极坐标系,建立基于多项式的三自由度轨迹运动模型,将轨迹设计问题转化为求解多项式的系数问题;根据运动模型推导轨迹的动力学特性,建立约束方程,并以消耗燃料最少作为性能指标,采用序列二次规划的方法对多项式的系数进行寻优计算。该方法不仅能求解多个形状设计参数不确定性问题,而且还能满足推力加速度的约束限制。仿真验证了该方法的正确性和可用性,该方法可为任务设计初步阶段的轨迹设计和燃料消耗预估提供一定的技术参考。     

融合遗传蚁群算法的区域覆盖卫星星座优化算法

针对特定区域覆盖并密集重访的卫星星座优化设计问题,采用回归轨道和共星下点轨迹星座的设计方案,提出特定区域内重点地区权值排序覆盖并融合遗传蚁群算法优化求解卫星星座轨道参数的方法。分析区域覆盖星座的设计需求,建立回归轨道覆盖区域模型,利用遗传蚁群算法计算出最优轨道根数,使用共星下点轨迹星座求解算法求出所有星座参数。仿真实验结果表明优化设计的星座满足对于区域目标的覆盖时间和重访次数需求,并对重要地点按照权值排序进行了侧重性覆盖和重访,验证了算法的可行性。     

太阳观测卫星的数传天线波束及其指向设计

针对三轴稳定对日指向姿态的太阳同步轨道卫星,提出为获得最大对地数据传输时间的天线波束设计及布局方案。根据某型太阳观测卫星的轨道姿态设计方案,建立数传天线对指定地面站的天线波束指向仿真模型;使用卫星工具包STK仿真软件,分析不同波束角方案及其可能的指向对数传时间的影响,发现了对日指向卫星与对地指向卫星在数传时间上的不同规律,找到最优的天线波束布局来获得最大的数传时间;根据星载数传能力与不同天线波束宽度之间的关系,获得传输数据的最佳天线波束宽度,为这类卫星数传天线的波束设计及其布局提供设计依据。     

J2摄动下卫星编队重构的多脉冲轨迹优化

针对考虑J_2摄动的椭圆参考轨道的编队重构问题,以消耗燃料最少为目标函数,基于高斯变分方程研究编队重构的多脉冲轨迹优化方法。推导考虑J_2摄动和轨道面内外耦合的轨道要素偏差线性动力学方程,采用遗传算法和序列二次规划结合的混合算法对总的速度增量进行优化。数值仿真表明该混合算法有效,可以高效地得到可行解。由于考虑了J_2摄动和椭圆参考轨道,该算法对航天任务中的轨迹优化具有一定的参考意义。