由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法、装置及介质制造方法及图纸

本发明专利技术实施例公开了一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法、装置及介质；该方法包括：根据日

【技术实现步骤摘要】
由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法、装置及介质


[0001]本专利技术实施例涉及航天器轨道设计
，尤其涉及一种由地球同步转移轨道(GTO，Geostationary Transfer Orbit)至日地共线平动点的转移轨道设计方法、装置及介质。

技术介绍

[0002]在日地系统的平动点中，L1点和L2点由于其独特的空间位置在深空探测中得到了很多关注，以Halo轨道为代表的平动点周期轨道非常适合行星探测和中继通讯任务，是未来探测器的理想工作地点。
[0003]在限制性三体模型中，共线平动点周围存在着一系列周期轨道和准周期轨道，和一系列不变流形，所以在同一个三体系统和不同三体系统之间，有着一系列节能转移轨道。
[0004]通常来说，从绕地的停泊轨道至Halo轨道的转移轨道并不是唯一的，不同的Halo轨道入轨点(HOI，Halo Orbit Insertion)对应的转移轨道所需要的机动速度和转移时间不相同，需要分析不同转移轨道的特性，从而针对任务需求选择合适的转移方式。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例期望提供一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法、装置及介质；能够减少转移轨道的机动速度需求，提升转移轨道设计的精确性。
[0006]本专利技术实施例的技术方案是这样实现的：
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供了一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法，所述方法包括：
[0008]根据日
‑
地质心会合坐标系下的航天器动力学方程以及势函数，计算获得和平动点周围的Halo轨道相连的不变流形；
[0009]以地球同步转移轨道为地球停泊轨道构建约束变量，以Halo轨道为目标轨道构建控制变量，并利用最小二乘微分修正法对控制变量进行修正；
[0010]基于设定的约束条件和性能指标，从符合所述约束条件的转移轨道中选择最优性能的转移轨道所对应的最优HOI点；
[0011]根据所述最优HOI点，分析控制变量和停泊轨道约束变量之间的关系，构建用于确定多约束轨道设计的控制变量初值的微分修正初值表达式；
[0012]根据所述微分修正初值表达式利用多级微分修正法得到满足多个约束的转移轨道。
[0013]第二方面，本专利技术实施例提供了一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计装置，所述装置包括：计算部分、修正部分、选择部分、构建部分和多级微分修正部分，其中，
[0014]所述计算部分，经配置为根据日
‑
地质心会合坐标系下的航天器动力学方程以及势函数，计算获得和平动点周围的Halo轨道相连的不变流形；
[0015]所述修正部分，经配置为以地球同步转移轨道为地球停泊轨道构建约束变量，以
Halo轨道为目标轨道构建控制变量，并利用最小二乘微分修正法对控制变量进行修正；
[0016]所述选择部分，经配置为基于设定的约束条件和性能指标，从符合所述约束条件的转移轨道中选择最优性能的转移轨道所对应的最优HOI点；
[0017]所述构建部分，经配置为根据所述最优HOI点，分析控制变量和停泊轨道约束变量之间的关系，构建用于确定多约束轨道设计的控制变量初值的构建微分修正初值表达式；
[0018]所述多级微分修正部分，经配置为根据所述微分修正初值表达式利用多级微分修正法得到满足多个约束的转移轨道。
[0019]第三方面，本专利技术实施例提供了一种计算设备，所述计算设备包括：通信接口，存储器和处理器；各个组件通过总线系统耦合在一起；其中，
[0020]所述通信接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；
[0021]所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序；
[0022]所述处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行第一方面所述由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法的步骤。
[0023]第四方面，本专利技术实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计程序，所述由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计程序被至少一个处理器执行时实现第一方面所述由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法的步骤。
[0024]本专利技术实施例提供了一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法、装置及介质；通过定量地给出不同HOI点对应的转移轨道的性能指标，从而选择符合任务要求的HOI点和转移轨道，有着很好的工程应用价值；此外，通过构建以GTO作为停泊轨道时的约束定义，进一步减少了转移轨道的机动速度需求，提升了转移轨道设计的精确性。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例提供的一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法流程示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例提供的转移轨道及设计控制变量的示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例提供的三级微分修正策略的实施流程示意图；
[0028]图4为本专利技术实施例提供的总速度增量变化示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例提供的转移时间变化示意图；
[0030]图6为本专利技术实施例提供的性能指标的变化示意图；
[0031]图7为本专利技术实施例提供的GTO到日地L1的转移轨道示意图；
[0032]图8为本专利技术实施例提供的一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计装置组成示意图；
[0033]图9为本专利技术实施例提供的一种计算设备的具体硬件结构示意图。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0035]对于由绕地的停泊轨道到日地系统的平动点的Halo轨道的转移轨道来说，通常仅考虑停泊轨道是近地圆轨道的情形，而地球同步转移轨道(GTO，Geostationary Transfer Orbit)作为常见的转移轨道，相比高度200km的近地圆型停泊轨道来说，大大减少了速度增量需求，从而可以节省大量的燃料和转移时间，但是对于GTO来说，由于其是椭圆轨道，从而对近地点的方位约束对转移轨道的设计提出了新的要求。此外，对于常规方案中关于约束和控制量之间的关系，通常也没有考虑到HOI对转移轨道特性的影响。综上，本专利技术实施例期望提供一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方案，通过定量地给出不同HOI点对应的转移轨道的性能指标，从而选择符合任务要求的HOI点和转移轨道，有着很好的工程应用价值；并且给出GTO作为停泊轨道时的约束定义方法，进一步减少了转移轨道的机动速度需求，提升了转移轨道设计的精确性。
[0036]基于此，参见图1，其示出了本专利技术实施例提供的一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法，该方法可以包括：
[0037]S101：根据日
‑
地质心会合坐标系下的航天器动力学方程以及势函数，计算获得和平动点周围的Halo轨道相连的不变流形；
[0038]S1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由GTO至日地共线平动点的转移轨道设计方法，其特征在于，所述方法包括：根据日
‑
地质心会合坐标系下的航天器动力学方程以及势函数，计算获得和平动点周围的Halo轨道相连的不变流形；以地球同步转移轨道为地球停泊轨道构建约束变量，以Halo轨道为目标轨道构建控制变量，并利用最小二乘微分修正法对控制变量进行修正；基于设定的约束条件和性能指标，从符合所述约束条件的转移轨道中选择最优性能的转移轨道所对应的最优HOI点；根据所述最优HOI点，分析控制变量和停泊轨道约束变量之间的关系，构建用于确定多约束轨道设计的控制变量初值的微分修正初值表达式；根据所述微分修正初值表达式利用多级微分修正法得到满足多个约束的转移轨道。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以地球同步转移轨道为地球停泊轨道构建约束变量，以Halo轨道为目标轨道构建控制变量，并利用最小二乘微分修正法对控制变量进行修正，包括：设在地心惯性系下停泊轨道逃逸点TTI处的状态向量为X
If
＝[r
If
；v
If
]，日
‑
地质心会合坐标系下TTI点处的状态为X
f
＝[r
ef
；v
ef
]；地球半径为R
E
，则地球停泊轨道根数满足下式所示：其中，r
ef
＝[x
f
‑
1+μ,y
f
,z
f
]
T
，r
f
＝[x
f
,y
f
,z
f
]
T
，是日地质心会合坐标系下TTI点的状态量，r
efxy
是r
f
在日
‑
地质心会合坐标系平面的分量；考虑航迹角、轨道高度、轨道倾角、升交点赤经四个约束，以Halo轨道入轨点HOI处的三轴速度增量和转移时间作为自由变量C＝[ΔV
HOI
,t
f
]
T
＝[ΔV
x
,ΔV
y
,ΔV
z
,t
f
]
T
构建目标函数其中，约束变量D＝[γ h i a]
T
，下标d表示约束的期望值；以设定的初始自由变量C
j
并对所述目标函数进行一阶泰勒展开，得到Jacobian矩阵
利用最小二乘微分修正法对控制变量C进行修正，得到下式：其中，k是下山因子，初值设置为1。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于设定的约束条件和性能指标，从符合所述约束条件的转移轨道中选择最优性能的转移轨道所对应的最优HOI点，包括：将一个周期的Halo轨道按照积分时间均分为多个子部分，每个子部分对应一个HOI点；以每个HOI点对应的不变流形为初值，仅考虑近地点轨道高度和飞行路径角两个约束，通过经过所述对控制变量C的修正计算式，得到符合约束条件的转移轨道；定义性能指标为J＝λ1ΔV+λ2t
f
，并计算每个转移轨道的性能指标，其中，λ1和λ2是权重系数，ΔV是转移所需的总速度增量大小；将所述性能指标最小值对应的HOI点确定为所述最优HOI点。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述最优HOI点，分析控制变量和停泊轨道约束变量之间的关系，构建用于确定多约束轨道设计的控制变量初值的构建微分修正初值表达式，包括：以所述最优HOI点，在设定的速度增量范围内等间隔进行z向速度增量，获得多个z向速度增量值ΔV
z

【专利技术属性】
技术研发人员：李化义，安诗宇，吴凡，韦明川，奚瑞辰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：