月地低能返回轨道设计与控制方法研究

摘要

月地低能返回轨道由于其节能特性，可以增加月球返回载荷重量、节约发射成本，也可作为传统返回轨道的故障替代模式，研究月地低能返回轨道对我国的深空探测工程具有显著的理论和实践意义。相对传统的圆锥曲线拼接返回轨道，月地低能返回轨道虽然可以明显节约探测器变轨所需的速度脉冲，但轨道途经月地平动点与日地平动点附近的引力混沌区域，月球和太阳对探测器轨道的影响更剧烈，返回轨道对探测器初始飞行状态的敏感度更高。为此，月地低能返回轨道的设计与控制任务将面临更大的挑战。本文基于国家自然科学基金项目《月地低能返回轨道研究》，致力于月地低能返回轨道上的探测器动力学建模、轨道设计与控制和执行问题，对我国未来的月球探测与开发具有重要意义。
　　首先，论文研究了月地低能返回轨道上飞行器的建模问题。由于传统的圆形限制性三体问题等模型不能完全反映探测器在低能返回轨道上的动力学特性，为此本文对限制性三体问题进行扩展，提出在椭圆四体问题下研究探测器的动力学方程，并给出了探测器轨道能量表达式，研究表明，椭圆四体问题在保持动力学模型形式简单的基础上，更能真实反映探测器进行月地低能返回任务中的受力状况。而后利用不变流形理论，研究了探测器低能返回地球轨道所在的空间不变流形管路形态，为设计返回轨道提供了理论基础。此外，为研究实际工程应用中的月地低能返回轨道设计与控制问题，论文引入了基于星历数据的四体动力学模型，使用标准星历用于模拟月球与太阳的真实运动状态。
　　第二，论文系统论证了月地低能返回轨道的普遍存在性与规律性。由于前人对于月地低能返回轨道的研究仅停留在算例阶段，本文在此基础上，通过分析探测器低能逃逸月球影响球的能量需求和轨道形态，结合低能返回轨道的搜索结果与返回轨道形式的分类研究，论证了月地低能返回轨道在自然界中的普遍存在性；在此基础上，利用不变流形理论，分析研究了月地低能返回轨道的形成所需的日地月相位关系规律，在此基础上给出了2020年全年满足返回轨道形成条件的窗口分布。为设计低能返回轨道提供了基本参数和结论。
　　第三，论文研究论证了多种月地低能返回标称轨道设计方法。针对轨道设计过程中使用单步打靶法、智能搜索算法带来的迭代不易收敛、计算效率低下等缺陷，提出了一种改进的流形拼接法用于设计满足初始和终端需求的月地低能返回轨道。利用返回轨道所在的空间不变流形将轨道分为数段并给出分段轨道初始猜测，进而利用改进的多步打靶法对轨道分段进行迭代修正，求取满足初始与终端约束的同时满足分段平滑连接条件的完整月地低能返回轨道。仿真表明，使用该方法可以显著提高算法的收敛特性与计算效率，对月地低能返回轨道的设计任务具有较大优势。
　　第四，论文研究了月地低能返回轨道的误差传播特性与中途修正策略设计方法。由于实际任务中，探测器从月球轨道出发进入标称返回轨道时存在入轨偏差，导致再入点轨道参数不满足工程需要，因此需要对探测器入轨精度提出一定的要求，为此论文中引入协方差分析法研究月地低能返回轨道的轨道误差传播特性，利用初始轨道偏差到再入点参数偏差的协方差分析，估计月地低能返回轨道对入轨偏差的敏感度，进而给出了无修正情况下探测器入轨精度需求。对于仍不满足入轨精度的月地低能返回任务，论文通过分析再入点参数对轨道控制脉冲的敏感程度随轨道位置的变化规律，提出了一种三点修正策略，分别在轨道不同位置对不同的再入点参数偏差进行修正，仿真表明，此方法对月地低能返回任务中存在入轨偏差、测轨偏差以及修正执行偏差的情况具有良好的修正效果。
　　此外，论文对深空探测器有限推力轨道控制策略设计方法进行了分析研究，对不同的策略设计算法对月地低能返回任务的应用效果进行了对比分析，提出了一种结合伪谱法与虚拟卫星法的改进推力策略设计方法。仿真表明，此种推力设计方法可以在无需猜测协状态初值的情况下得到高精度轨道控制策略。
　　最后，通过实际任务仿真计算，对本文提出的轨道设计与控制方案进行了仿真计算，验证了算法的可行性与有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 论文章节安排

第2章 月地低能返回轨道动力学基础研究

2.1 引言

2.2 坐标系统

2.3 日地月星椭圆四体问题定义

2.4 探测器椭圆四体动力学模型

2.5 基于星历的探测器四体动力学模型

2.6 日地月椭圆四体轨道能量分析

2.7 月地低能返回轨道不变流形分析

2.8 本章小结

第3章 月地低能返回轨道分析与窗口设计

3.1 引言

3.2 月地低能返回轨道特性分析

3.3 月球低能返回轨道规律性分析

3.4 本章小结

第4章 月地低能返回标称轨道设计方法研究

4.1 引言

4.2 直接打靶法设计轨道

4.3 智能搜索算法设计轨道

4.4 不变流形拼接法设计轨道

4.5 本章小结

第5章 月地低能返回轨道误差分析与中途修正设计

5.1 引言

5.2 月地低能返回轨道误差特性分析

5.3 返回轨道中途修正脉冲策略设计

5.4 轨道修正仿真算例

5.5 本章小结

第6章 月地低能返回轨道有限推力轨道控制策略研究

6.1 引言

6.2 探测器有限推力变轨策略设计方法研究

6.3 月地低能返回有限推力控制策略设计仿真分析

6.4 本章小结

第7章 月地低能返回全轨道仿真分析

7.1 引言

7.2 仿真背景和探测器基本参数

7.3 标称轨道设计仿真分析

7.4 有限推力任务执行仿真分析

7.5 轨道中途修正仿真分析

7.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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