基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法及系统，该方法包括：对目标轨道上的点施加切向扰动，并对扰动轨道进行积分，将能够撞击主天体的扰动轨道进行标记，绘制出主天体和目标轨道之间的碰撞带图谱；在每条碰撞带两侧，分别取一个预设的速度增量区间，从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，并积分至停泊轨道；标记采样扰动轨道与停泊轨道相交时的位置方向角和速度方向角；通过对速度增量进行线性插值，找到与停泊轨道和目标插入点相切的转移轨道初值。本发明专利技术系统地预估多种切向转移族的分布位置并快速搜索到多种转移类型的轨道，系统直观地评估各种类型的切向转移轨道的数量，为后续的精确求解转移轨道提供恰当的初值。

【技术实现步骤摘要】
基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法及系统
本专利技术涉及深空转移轨道
，尤其涉及基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法及系统。
技术介绍
对于深空转移轨道计算，由于飞行器距离原中心天体位置较远，这时飞行器受其他天体的引力摄动不能忽略，因此采用二体模型进行计算与真实的引力场下的运动误差较大，而限制性三体问题模型能够更好的近似实际引力场中的运动。在三体问题模型中进行转移轨道的计算时，由于引力场的复杂性和系统的非线性，系统对初值高度敏感；并且由于系统中的运动计算过程的复杂，求解精确的转移轨道前需要给出接近精确解的初值。结合国内外研究结果，搜索转移轨道初值的方法有以二体模型下的解作为初值、通过优化算法搜索、以邻近周期轨道作为初值等。通过目前的方法取得的初值能够计算出精确的转移轨道，进而能够在此基础上繁衍出相关的一族或数族转移轨道，但对各类转移轨道族在相空间中的分布无法进行有目的搜索和预估。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法，所述方法包括：对目标轨道上的点施加切向扰动，并对扰动轨道进行积分，将能够撞击主天体的扰动轨道进行标记，绘制出主天体和目标轨道之间的碰撞带图谱；在每条碰撞带两侧，分别取一个预设的速度增量区间，从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，并积分至停泊轨道；标记采样扰动轨道与停泊轨道相交时的位置方向角和速度方向角；通过对速度增量进行线性插值，找到与停泊轨道和目标插入点相切的转移轨道初值。作为上述方法的一种改进，所述对目标轨道上的点施加切向扰动，并对扰动轨道进行积分，将能够撞击主天体的扰动轨道进行标记，绘制出主天体和目标轨道之间的碰撞带图谱；具体包括：在一定范围内改变目标轨道F上各点的速度大小，将改变速度后的扰动轨道逆向积分一段时间，其中，对由主天体出发插入目标轨道的问题进行逆向积分；对由目标轨道出发插入主天体附近轨道的问题进行正向积分，然后找到能够撞击主天体Pi的扰动轨道，将其出发相位和速度增量大小或速度大小标记在图中，得到Pi与F之间的相空间内碰撞带图谱。作为上述方法的一种改进，所述碰撞带图谱中的碰撞带数量与切向扰动的大小以及积分时长均相关，当增大切向扰动的大小以及积分时长能够获得更多碰撞带。作为上述方法的一种改进，所述从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，并积分至停泊轨道；具体包括：从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，对由主天体出发至停泊轨道采用逆向积分；对由目标轨道出发至停泊轨道采用正向积分。作为上述方法的一种改进，所述通过对速度增量进行线性插值，找到与停泊轨道和目标插入点相切的转移轨道初值；具体包括：对速度增量进行线性插值，从插值后的数据中找到βintersect＝βO,αintersect＝αO的速度增量，从而找到与停泊轨道O和目标插入点相切的转移轨道初值；其中，αintersect和βintersect分别为插值后的采样扰动轨道与停泊轨道O相交时的位置方向角和速度方向角；αO和βO分别为停泊轨道O上的点相对于主天体Pi的位置方向角和速度方向角，下角标i＝1,2分别表示大主天体和小主天体；αintersect和βintersect计算方式如下：αintersect＝tan-1(y/x-xP)βintersect＝tan-1(vy/vx)其中，xP表示Pi的x轴位置坐标，x,y分别为插值后的采样扰动轨道与停泊轨道O相交时的位置坐标，vx,vy分别为插值后的采样扰动轨道与停泊轨道O相交时在x-,y-方向的速度大小。作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：对于经其他天体引力辅助的转移轨道，先划分为引力辅助前转移轨道和引力辅助后转移轨道，分别进行初值搜索，再拼接形成转移轨道的初值。一种基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索系统，其特征在于，所述系统包括：碰撞带图谱绘制模块、停泊轨道积分模块、方向角标记模块和转移轨道初值输出模块；其中，所述碰撞带图谱绘制模块，用于对目标轨道上的点施加切向扰动，并对扰动轨道进行积分，将能够撞击主天体的扰动轨道进行标记，绘制出主天体和目标轨道之间的碰撞带图谱；所述停泊轨道积分模块，用于在每条碰撞带两侧，分别取一个预设的速度增量区间，从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，并积分至停泊轨道；所述方向角标记模块，用于标记采样扰动轨道与停泊轨道相交时的位置方向角和速度方向角；所述转移轨道初值输出模块，用于通过对速度增量进行线性插值，找到与停泊轨道和目标插入点相切的转移轨道初值。与现有技术相比，本专利技术的优势在于：1、本专利技术首次提出了一种沿目标轨道生成切向碰撞带图谱，并通过碰撞带图谱系统地预估三体系统中，大天体附近周期轨道与其他周期轨道间的切向转移轨道在相空间中的分布，并由此给出多种类型的切向转移轨道族初值的方法，可支撑的转移轨道包括直接转移、引力辅助转移等；2、本专利技术的方法通过对目标轨道和大天体间的碰撞带图谱进行快速搜索，能够对相空间结构有系统直观的评估，进而可以系统地预估多种切向转移族的分布位置并快速搜索到多种转移类型的轨道；3、本专利技术的方法能够系统直观地评估各种类型的切向转移轨道的数量，并为后续的精确求解转移轨道提供恰当的初值；4、本专利技术的方法通过对目标轨道上的点施加切向扰动并积分至撞击目标大主天体绘制出碰撞带图谱，其中切向扰动的大小和积分时长可以根据目标转移轨道的转移代价进行调整，搜索预期代价范围内的转移轨道；对目标轨道取点的步长可以较大，只揭示相空间内碰撞带的分布位置、数量即可，因此可以快速获得碰撞带图谱；5、本专利技术的方法在每条碰撞带的两侧随机取采样点，将采样点积分至出发轨道，并通过线性插值快速搜索接近精确解的初值，通过这种方法确定了精确解邻域作为搜索区间，并能够快速获得初值。附图说明图1是本专利技术的基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法流程图；图2是本专利技术的仿真实例地球与L4点附近SPO间的碰撞带图谱；图3是本专利技术的仿真实例插入点相位角为0.2π处的最宽碰撞带上边界附近的随机采样轨道与LEO相交时的状态及插值结果；图4是本专利技术的仿真实例月球与L4点附近SPO间的碰撞带图谱；图5是本专利技术的仿真实例插入点相位角为0.2π处的靠下碰撞带上边界附近的随机采样轨道与LLO相交时的状态及插值结果；图6是本专利技术的仿真实例100km高度的圆LLO轨道与地球间的碰撞带图谱；图7是本专利技术的仿真实例插入点相位角为1.125π处的碰撞带上边界附近的随机采样轨道与LEO相交时的状态及插值结果。具体实施方式为了系统地预估转移轨道在相空间中的位置、数量、性质，并给出多族转移轨道的初值，本专利技术对目标轨道和主天体间的碰撞带图谱进行搜索绘制，并给出了通过碰撞带图谱获得多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法，所述方法包括：/n对目标轨道上的点施加切向扰动，并对扰动轨道进行积分，将能够撞击主天体的扰动轨道进行标记，绘制出主天体和目标轨道之间的碰撞带图谱；/n在每条碰撞带两侧，分别取一个预设的速度增量区间，从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，并积分至停泊轨道；/n标记采样扰动轨道与停泊轨道相交时的位置方向角和速度方向角；/n通过对速度增量进行线性插值，找到与停泊轨道和目标插入点相切的转移轨道初值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法，所述方法包括：
对目标轨道上的点施加切向扰动，并对扰动轨道进行积分，将能够撞击主天体的扰动轨道进行标记，绘制出主天体和目标轨道之间的碰撞带图谱；
在每条碰撞带两侧，分别取一个预设的速度增量区间，从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，并积分至停泊轨道；
标记采样扰动轨道与停泊轨道相交时的位置方向角和速度方向角；
通过对速度增量进行线性插值，找到与停泊轨道和目标插入点相切的转移轨道初值。


2.根据权利要求1所述的基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法，其特征在于，所述对目标轨道上的点施加切向扰动，并对扰动轨道进行积分，将能够撞击主天体的扰动轨道进行标记，绘制出主天体和目标轨道之间的碰撞带图谱；具体包括：
在一定范围内改变目标轨道F上各点的速度大小，将改变速度后的扰动轨道逆向积分一段时间，其中，对由主天体出发插入目标轨道的问题进行逆向积分；对由目标轨道出发插入主天体附近轨道的问题进行正向积分，然后找到能够撞击主天体Pi的扰动轨道，将其出发相位和速度增量大小或速度大小标记在图中，得到Pi与F之间的相空间内碰撞带图谱。


3.根据权利要求2所述的基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法，其特征在于，所述碰撞带图谱中的碰撞带数量与切向扰动的大小以及积分时长均相关，当增大切向扰动的大小以及积分时长能够获得更多碰撞带。


4.根据权利要求1所述的基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法，其特征在于，所述从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，并积分至停泊轨道；具体包括：
从速度增量区间中随机取若干采样扰动轨道，对由主天体出发至停泊轨道采用逆向积分；对由目标轨道出发至停泊轨道采用正向积分。


5.根据权利要求1所述的基于碰撞带图谱的转移轨道族初值搜索方法，其特征在于，所述通过对速度增量进行线性插值，找到与停泊轨道和目标插入点相切的转移...

【专利技术属性】
技术研发人员：任婧，李明涛，王有亮，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11