深空探测器的轨道设计与优化

发布时间：2017-06-05 17:07

  本文关键词：深空探测器的轨道设计与优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科学技术的进步与航天活动的迅速发展,深空探测越来越受到人们的重视,其中轨道设计与优化技术是实现深空探测任务的关键技术之一。与近地卫星的轨道设计相比,深空探测器的轨道设计要复杂得多,对同一目标轨道可有多种转移轨道方案。本文重点对深空探测任务的轨道设计与优化问题进行了研究。 首先,论文研究了不带深空机动的多天体交会借力飞行轨道设计方法,基于圆锥曲线拼接法和最小能量要求,给出快速寻找转移轨道方案的P-Rp图解法;通过求解兰伯特问题绘制Pork-Chop能量等高线图,基于飞入借力天体的能量(目标C3)和飞出借力天体的能量(C3)匹配原则确定发射窗口,利用穷举式搜索法得到C3能量全局最小的多天体交会发射机会,设计日心转移轨道和地球逃逸轨道;同时为提高搜索发射窗口的效率,本文利用遗传算法进行优化,大大节省了计算时间,对大规模发射时间段的搜索效果将更加显著。 其次,以太阳高纬探测器的轨道设计为例,运用以上方法进行借力飞行轨道的设计和优化分析。利用P-Rp图解法设计可能的转移轨道方案,根据Pork-Chop图法分别求得各方案的最优发射机会,之后进行轨道优化。结果表明,若采用外行星借力,“地球-木星借力”方案可得到太阳极轨目标轨道,但发射能量高,飞行时间长;若采用内行星借力,有“地球-金星三次借力”、“地球-金星-火星-地球三次借力”两种轨道方案,均可得到太阳纬度30度左右的目标轨道,发射能量低,飞行时间短,但是只能观测太阳中纬的近日空间。 再次,以月球探测器的极轨轨道设计为例,采用微分修正法求解N体问题,基于STK进行精确引力模型下的轨道优化设计。按照二体模型平面分析法进行初步轨道设计,给出探测器的发射时刻、停泊轨道运行时间和逃逸脉冲等控制参数的初值,以月球B平面参数为目标约束,多次迭代计算得到优化的轨道。 最后,本文对到达太阳系八大行星的可能转移轨道方案分别进行了搜索,计算出大致的飞行时间,并在给定能量约束的情况下按照飞行时间最短选取最优轨道方案。同时为将来轨道设计工作的需要,本文初步建立了轨道资料库,把各种轨道方案按数据库方式存储起来,其内容随着后续工作逐步扩充和完善。
【关键词】：深空探测 借力飞行 轨道设计 轨道优化 太阳高纬探测器
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：V412.41
【目录】：

• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题背景及意义10-12
• 1.2 国内外深空探测活动的发展历史及趋势12-16
• 1.3 国内外深空轨道设计技术的研究状况16-20
• 1.4 本文工作与课题创新点20-23
• 第2章 空间飞行器的轨道动力学23-33
• 2.1 常用坐标系23-26
• 2.2 二体问题26-28
• 2.3 轨道根数及其几何意义28-29
• 2.4 N 体问题29-32
• 2.5 小结32-33
• 第3章 深空探测轨道设计与优化方法33-63
• 3.1 圆锥曲线拼接法33-40
• 3.2 借力飞行轨道设计40-54
• 3.3 轨道优化54-62
• 3.4 小结62-63
• 第4章 太阳高纬探测器的轨道设计与优化63-86
• 4.1 任务背景及分析63-66
• 4.2 外行星借力方案的轨道设计与优化66-76
• 4.3 内行星借力方案的轨道设计与优化76-84
• 4.4 小结84-86
• 第5章 月球探测器的轨道设计与优化86-96
• 5.1 任务背景及分析86-89
• 5.2 基于STK 的精确模型轨道设计89-95
• 5.3 小结95-96
• 第6章 初步建立深空探测轨道方案资料库96-103
• 6.1 转移轨道方案搜索96-98
• 6.2 飞行时间计算98-101
• 6.3 轨道资料库界面开发101-102
• 6.4 小结102-103
• 第7章 结论103-105
• 参考文献105-110
• 攻读学位期间发表的学术论文110-111
• 独创性声明111
• 关于论文使用授权的说明111-112
• 致谢112

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 李小玉;郑建华;吴霞;;改进的Tour-Map借力飞行图形设计方法[J];北京航空航天大学学报;2012年11期

2 黄国强;陆宇平;南英;;飞行器轨迹优化数值算法综述[J];中国科学:技术科学;2012年09期

3 李志武;郑建华;于锡峥;吴霞;;深空探测行星借力飞行轨道自动设计与仿真[J];计算机仿真;2009年06期

4 郑建华;郭世姝;吴霞;李小玉;张艺腾;;萤火一号火星探测器轨道设计与科学探测事件分析[J];空间科学学报;2012年03期

5 戴光明;罗治情;石再明;彭雷;;用DE求解最小能量借力飞行问题[J];上海航天;2009年04期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 伊成俊;刘林;戴光明;罗刚桥;王立;史旺林;周璐;刘宇飞;;火星探测任务轨道设计[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 高玉东;月球探测器地月空间转移轨道研究[D];国防科学技术大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 葛春生;深空探测器轨道设计与修正方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

  本文关键词：深空探测器的轨道设计与优化，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：424193