火星探测器捕获制动关键问题研究

摘要

火星以其距离地球近，与地球诸多相似性成为深空探测研究目标之一，我国计划于2020年前后发射火星探测器。捕获制动是成功执行探火任务的关键，本文针对火星探测器的捕获制动技术，研究了探测器的捕获策略、误差传播和故障预案、大气制动等关键问题，主要内容与成果如下：
　　一、建立了火星捕获制动的动力学模型。为描述探测器的动力学模型，明确了时空系统，介绍了天体星历的计算，探测器受力考虑了火星非球形引力、太阳火卫等第三引力体的摄动作用、大气阻力。
　　二、针对火星探测的捕获问题，本文建立了推力沿速度反方向、推力方向固定和推力匀速转动三种捕获策略的有限推力模型。以消耗的燃料质量和入轨近火点的高度误差为双目标，利用多目标粒子群算法优化控制参数，得到多目标问题的Pareto非劣解集和Pareto前沿。仿真校验时采用均匀设计法初始化种群，发现推力沿速度反方向时捕获效率最高；方向固定时近火点高度误差小；推力匀速转动会抬升近火点高度，但推力方向与速度反方向夹角小，燃料消耗较少。
　　三、利用 CADET法研究了火星探测捕获制动的误差传播。针对三种不同的捕获策略：推力沿速度反方向，推力方向固定和匀速转动，基于协方差分析描述函数法（CADET）建立了轨道状态均值和均方差的传播方程，误差源包括初始状态误差、模型误差、执行误差等。仿真整个捕获制动过程，利用CATET方法分析单一误差和综合误差对每种捕获策略入轨精度的影响，以Monte Carlo法为基准评估其准确性。结果表明，CADET法能够高精度地计算不同的误差传播，且速度快，具有一定的工程实用性。
　　四、为了减小燃料消耗和增大有效载荷，采用大气制动把探测器从大椭圆轨道送入目标轨道。以近火点允许的最大动压为约束，应用牛顿迭代得出制动过程中近火点应处的最小高度；提出一种大气制动方案，针对近火点高度下降的问题，在远火点施加很小的速度将近火点提高到安全高度；优化最后一次的大气进入角，使得最终的远火点达到任务轨道的高度。仿真验证大气制动方案的有效性，动压始终满足最大动压约束。

目录

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 捕获制动典型任务

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的主要内容

第二章火星捕获制动建模与分析

2.1 引言

2.2 时空系统

2.3 星历计算

2.4 探测器轨道动力学建模

2.5 本章小结

第三章基于多目标优化的有限推力捕获策略

3.1 引言

3.2 有限推力捕获策略

3.3 多目标优化问题及算法

3.4 多目标优化仿真校验

3.5 本章小结

第四章基于协方差分析描述函数法的捕获误差传播

4.1 引言

4.2 捕获制动误差传播计算模型

4.3 误差传播仿真校验

4.4 动力系统故障对策

4.5 本章小结

第五章利用大气制动降轨进入目标轨道

5.1 引言

5.2 大气制动原理

5.3 大气制动仿真校验

5.4 大气制动与有限推力变轨比较

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及发明专利

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致谢