一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法技术

本发明专利技术公开的一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，属于航空航天领域。本发明专利技术在太阳‑地球质心旋转系下建立探测器动力学方程；将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的惯性系下，并表示成轨道要素形式；给定探测器的速度增量约束和转移时间约束，求解最优两脉冲转移轨道，计算满足约束的小行星探测目标最大轨道根数范围；根据小行星探测目标参数范围，对小行星数据库中的小行星探测目标进行筛选，排除参数范围外的小行星探测目标；剩余小行星探测目标为满足多重约束条件的小行星探测目标，并根据探测任务需要完成精确轨道设计，得到相应的轨道转移机会，完成相应小行星探测任务。本发明专利技术具有筛选速度快、且不受发射时间影响的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法
本专利技术涉及一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，特别涉及一种由日地平衡点轨道出发探测小行星目标的目标选择快速筛选方法，属于航空航天领域。
技术介绍
小行星被认为是太阳系形成之初的残余物质，对小行星的研究可以获得太阳系起源和形成相关的关键信息，并有助于小行星的资源利用和威胁防御，因此小行星探测成为深空探测领域的热门话题。小行星探测目标选择是开展小行星探测任务的首要工作，受限于当前推进技术的发展，探测器所能携带的燃料有限，因此需要从能量角度考虑小行星探测的可达性，同时也需要考虑小行星的物理特性和科学价值，因此需要对小行星探测目标进行筛选。同时探测目标选择还可能存在飞行状态受限、测控能力受限、任务执行时间受限等多重强约束条件。由于小行星数量众多(超过70万)且仍在不断发现中，针对强约束条件对大量的小行星目标进行筛选需要耗费大量的时间，在已发展的关于小行星目标选择中，在先技术[1](参见嫦娥二号卫星飞越探测小行星的目标选择[J]《中国科学:技术科学》，乔栋，黄江川，崔平远,2013(6):602-608)，基于测控约束、时间约束、推进剂约束及目标星物理特性，提出了一种满足多约束的小天体探测目标选择策略，并应用于嫦娥二号飞越探测小行星中。但该方法仅适用于飞越探测目标选择，不适用于交会探测，且目标选择中需要大量的目标计算，耗时较长。在先技术[2](参见载人小行星探测目标选择[J]《载人航天》,李翔宇，尚海滨，2015,21(3):278-285)，提出一种用于载人小行星探测的逐层目标选择方法，综合考虑发射机会、目标观测完备度、应急返回能力等复杂任务约束。该方法同样设计大量的轨道计算，且只适用于从地球出发的小行星探测目标。
技术实现思路
本专利技术公开的一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法要解决的技术问题是，在速度增量约束、飞行状态约束和任务时间约束下，提供一种从日地平衡点轨道出发探测小行星的目标快速筛选方法，具有筛选速度快、且不受发射时间影响的优点。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，在太阳-地球质心旋转系下建立探测器动力学方程。将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的惯性系下，并表示成轨道要素形式。给定探测器的速度增量约束△vmax和转移时间约束，求解最优两脉冲转移轨道，计算满足约束的小行星探测目标最大轨道根数范围。根据计算得到的小行星探测目标参数范围，对小行星数据库中的小行星探测目标进行筛选，排除参数范围外的小行星探测目标。剩余小行星探测目标为满足多重约束条件的小行星探测目标。根据筛选出满足多重约束条件的小行星探测目标，并根据实际探测任务需要完成精确轨道设计，得到相应的轨道转移机会，完成相应的小行星探测任务。本专利技术公开的一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，包括如下步骤：步骤一：在太阳-地球质心旋转系下建立探测器动力学方程。以太阳-地球系统的质心为坐标系的原点建立太阳-地球质心旋转系，其中X轴与太阳，地球连线重合，由太阳指向地球，Z轴与地球公转的角速度方向重合，Y轴与X，Z轴垂直构成右手坐标系。选择单位长度为日地距离，单位角速度为1，单位质量为日地系统的总质量，探测器在该日地系统下的动力学方程表示为，其中：μ＝m2/(m1+m2)表示系统的质量系数，m1为太阳的质量，m2为行星的质量，为探测器与太阳的距离，为探测器与行星的距离。由于探测器的动力学方程建立在日地质心旋转系下，适用于日地平衡点附近的运动，能够解决运动状态受限的小行星探测目标筛选。步骤二：将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的惯性系下，并表示成轨道根数形式。探测器在旋转系下的位置速度为[rf,vf]，太阳在旋转系下的位置为rs＝[-μ,0,0]，速度为vs＝[0,0,0],地球在旋转系下的位置为re＝[1-μ,0,0]，速度为ve＝[0,0,0],则探测器在旋转系下相对太阳的距离为rss＝rf-rs，相对速度为vss＝vf，若旋转系相对惯性系的旋转矩阵为Rt，根据地球星历确定。则探测器在日心惯性系下的位置ri，速度vi表示为，ri＝Rt·rss(2)vi＝Rt·(vss+ω×rss)(3)其中ω＝[0,0,1]T为旋转系相对惯性系的角速度。根据二体运动理论，将(ri,vi)表示为轨道根数形式(a,e,i,Ω,w,M)，其中a为轨道半长轴，e为轨道偏心率，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，w为近日点幅角，M为平近点角。由于在旋转系下，探测器在平衡点附近运动相对日地近似静止，因此探测器在日心系下的轨道根数受地球摄动影响，所述的影响包括轨道半长轴a、轨道偏心率e和轨道倾角i在均值附近呈周期性波动，所述的影响还包括升交点赤经Ω、近日点幅角w单调变化但由于轨道近圆且倾角接近0，因此能够忽略升交点赤经Ω和近日点幅角w对轨道运动的影响。同时轨道的平近点角M随时间变化，因此探测器的二体运动近似用轨道根数的均值表示(a,e,i，0，0,M(t))。即实现将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的下惯性系下，并表示成轨道要素形式。步骤三：给定探测器的速度增量约束△vmax，转移时间约束t，求解最优两脉冲转移轨道，计算满足速度增量约束和转移时间约束的小行星探测目标最大轨道根数范围。小行星探测目标的轨道根数为(aa,ea,ia,Ωa,wa,Ma)，确定转移时间t，通过求解Lambert问题能够得到最优两脉冲轨道，若探测器从平衡点轨道出发所需速度增量为△v1,小行星交会所需速度增量为△v2，总速度增量△v＝△v1+△v2<△vmin则表明该小行星探测目标存在潜在的转移机会，否则说明小行星探测目标不可达。由于探测器的运动除平近点角M外基本保持不变，因此选择优化变量(M,aa,ea,ia,Ωa,wa,Ma,t)，优化的目标函数分别为小行星轨道半长轴的最大值max(aa),轨道半长轴的最小值min(aa),轨道偏心率的最大值max(ea),轨道倾角的最大值max(ia)，约束为总速度增量△v<△vmin，考虑到三体摄动对速度增量的影响，将速度增量约束表示为(1+k)△vmax,优选k＝0.1,保证探测目标不会被遗漏。通过优化方法得到可达的小行星探测目标参数范围aa∈[min(aa),max(aa)]，ea∈[0,max(ea)]，ia∈[0,max(ia)]，Ωa,wa,Ma没有约束。由于在优化过程中优化变量仅与小行星轨道参数有关，而与小行星星历无关，因此方法的适用范围广，优化变量中考虑转移时间和速度增量，因此适用于能量受限，任务时间受限的目标筛选。步骤三中通过优化方法得到可达的小行星探测目标参数范围aa∈[min(aa),max(aa)]，ea∈[0,max(ea)]，ia∈[0,max(ia)]，Ωa,wa,Ma没有约束，即为满足约束的小行星探测目标最大轨道根数范围。步骤三所述的优化方法包括遗传算法、微分进化算法。所述的轨道根数包括轨道半长轴a，轨道偏心率e，轨道倾角i，升交点赤经Ω，近日点幅角w，平近点角M。步骤四：根据步骤三中计算得到的小行星探测目标参数范围，对小行星数据库中的小行星探测目标进行筛选，排除参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：在太阳‑地球质心旋转系下建立探测器动力学方程；步骤二：将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的惯性系下，并表示成轨道根数形式；步骤三：给定探测器的速度增量约束Δvmax，转移时间约束t，求解最优两脉冲转移轨道，计算满足速度增量约束和转移时间约束的小行星探测目标最大轨道根数范围，小行星探测目标最大轨道根数范围即为小行星探测目标参数范围；步骤四：根据步骤三中计算得到的小行星探测目标参数范围，对小行星数据库中的小行星探测目标进行筛选，排除参数范围外的小行星探测目标；剩余小行星探测目标为满足多重约束条件的小行星探测目标。

【技术特征摘要】
1.一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：在太阳-地球质心旋转系下建立探测器动力学方程；步骤二：将探测器在旋转系下的位置速度转换到太阳为中心的惯性系下，并表示成轨道根数形式；步骤三：给定探测器的速度增量约束Δvmax，转移时间约束t，求解最优两脉冲转移轨道，计算满足速度增量约束和转移时间约束的小行星探测目标最大轨道根数范围，小行星探测目标最大轨道根数范围即为小行星探测目标参数范围；步骤四：根据步骤三中计算得到的小行星探测目标参数范围，对小行星数据库中的小行星探测目标进行筛选，排除参数范围外的小行星探测目标；剩余小行星探测目标为满足多重约束条件的小行星探测目标。2.如权利要求1所述的一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，其特征在于：还包括步骤五：根据步骤四筛选出满足多重约束条件的小行星探测目标，并根据实际探测任务需要完成精确轨道设计，得到相应的轨道转移机会，实现相应的小行星探测任务。3.如权利要求1或2所述的一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，以太阳-地球系统的质心为坐标系的原点建立太阳-地球质心旋转系，其中X轴与太阳，地球连线重合，由太阳指向地球，Z轴与地球公转的角速度方向重合，Y轴与X，Z轴垂直构成右手坐标系；选择单位长度为日地距离，单位角速度为1，单位质量为日地系统的总质量，探测器在该日地系统下的动力学方程表示为，其中：μ＝m2/(m1+m2)表示系统的质量系数，m1为太阳的质量，m2为行星的质量，为探测器与太阳的距离，为探测器与行星的距离；由于探测器的动力学方程建立在日地质心旋转系下，适用于日地平衡点附近的运动，能够解决运动状态受限的小行星探测目标筛选。4.如权利要求3所述的一种快速筛选日地平衡点小行星探测目标的方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，探测器在旋转系下的位置速度为[rf,vf]，太阳在旋转系下的位置为rs＝[-μ,0,0]，速度为vs＝[0,0,0],地球在旋转系...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄江川，李翔宇，乔栋，尚海滨，孟林智，王晓磊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11