火星探测器轨道设计方法研究

摘要

进入二十一世纪以后,世界各国展开了一股深空探测的热潮,而火星探测更成为深空探测的热点。对于火星探测问题,首先要知道探测器的轨道,这就需要进行轨道设计工作。本文从火星探测任务出发,进行了深空探测轨道设计的研究,主要内容如下:
　　首先,针对火星探测直接转移轨道设计的问题进行了研究。对于初始轨道设计问题,可以运用圆锥曲线拼接法,将整个轨道设计问题,视为多段二体问题,运用Lambert问题的求解方法进行求解。基于以上基本理论,本文采用了Pork-Chop图法,求解直接转移轨道问题。而后,运用遗传算法对直接转移轨道进行了寻优搜索,并分别对两种方法进行了验证,比较了两种方法各自的特点,指出了各自适用的使用范围。此外,本文还结合深空机动进行了轨道设计工作。在初始轨道设计的基础上,考虑四体问题,采用微分修正法,进行了精确动力学模型设计,通过仿真进行了验证。
　　其次,研究了借力飞行问题。分别采用Pork-Chop图法和粒子群算法针对地球—金星—火星借力飞行方案进行了轨道设计工作,并通过文献数据进行了对比验证。在此基础上,采用粒子群算法进行了附加深空机动的轨道设计,并对粒子群算法和遗传算法进行了对比研究,指明了相比遗传算法粒子群算法在轨道寻优方面的优点。
　　最后,基于Pork-Chop图法、遗传算法和粒子群算法,利用MATLAB进行了火星轨道设计软件开发工作。介绍了软件的模块设置和界面分布,并结合实际算例,阐述了软件具有的功能。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内外火星活动发展过程

1.2.2 国内外火星探测轨道设计技术研究现状

1.2.3 国内外轨道设计软件开发现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 火星直接转移轨道设计

2.1 引言

2.2 深空探测基本理论

2.2.1 Lambert问题

2.2.2 圆锥曲线拼接法

2.2.3 时间历元

2.3 基于Pork-Chop图法的直接转移轨道设计

2.4 基于遗传算法的直接转移轨道设计

2.4.1 遗传算法轨道设计研究

2.4.2 算例与分析

2.5 带有深空机动的直接转移轨道设计

2.6 火星探测四体模型轨道设计

2.6.1 B平面

2.6.2 微分修正法

2.6.3 算例与分析

2.7 本章小结

第3章 火星探测借力飞行轨道设计

3.1 引言

3.2 借力飞行基本原理

3.3 基于Pork-Chop图的借力飞行转移轨道设计

3.4 基于粒子群算法的借力飞行转移轨道设计

3.4.1 粒子群算法轨道设计研究

3.4.2 算例与分析

3.4.3 参数选取分析

3.5 带有深空机动的借力飞行转移轨道设计

3.5.1 粒子群算法设计

3.5.2 粒子群算法与遗传算法比较

3.6 本章小结

第4章 火星探测轨道设计软件

4.1 引言

4.2 软件框架结构

4.3 软件功能与设定

4.4 算例演示

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢