【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航天器空间任务规划与设计，尤其涉及一种基于区间分析的应急返回轨道可达域计算方法。
技术介绍
1、在载人月球探测任务中，环月飞行阶段是全任务阶段中的重要阶段之一。一旦飞行器在环月飞行阶段发生故障或者出现其它紧急情况，为了航天员的生命安全，需要提前中止任务返回地球。由于此时飞行器所处位置距离地球较远，应急情况下不利于施加多次机动，可以施加单次机动进入应急返回轨道返回地球。单次机动可采用共面变轨或异面变轨的方式，但相比于共面变轨，异面变轨的方式下的返回窗口更多，更适用任意时刻返回的应急需求。
2、对于近地航天器而言，可达域通常被定义为航天器在约束条件下能够到达的所有空间位置集合。作为一种描述航天器可达位置的直观概念，可以直接用于空间任务设计和评价，包括航天器在轨服务、编队飞行、轨迹安全性评估等。以上可达域理论研究通常被称之为绝对可达域，在此基础上还引申了相对可达域，通常被用于航天器避撞规划研究。对于载人登月应急返回轨道而言，可达域概念通常表征为再入点的地球可达区域，即航天器在一定的轨道约束条件下可以到达的地球表面区域，如着陆点经纬度分布等。但是更为广义的地球可达域概念，也指应急返回轨道特征状态参数在高维空间中的分布。
3、针对应急返回轨道的可达域进行研究，不仅可以作为飞行器应急情况下可达地球区域的工程判据，还可能得出地月空间轨道两点边值问题解的存在性的相关数学结论。目前，国内外对地月空间轨道的可达域问题研究还较少，尚未形成一套成熟的理论或方法。现有技术主要是采用遍历计算方法，求解得到所有满足约束条
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于区间分析的应急返回轨道可达域计算方法。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种基于区间分析的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，包括：
3、s1.选取单条应急返回轨道求解时的设计变量，基于所述设计变量确定出用于区间分析的区间变量和优化变量，以及，根据所述区间变量的搜索空间，将所述区间变量分割成对应的多个初始子区间；
4、s2.基于所述优化变量，对每个所述初始子区间的区间上界和区间下界进行应急返回轨道的求解；
5、s3.获取存在解的所述初始子区间，并对所述初始子区间进行收缩处理，获得收缩后的过渡子区间；
6、s4.判断所述过渡子区间的区间边界是否存在所述应急返回轨道的解，若存在，则重复执行步骤s3对所述过渡子区间进一步收缩处理，直到满足最小区间长度限制，获得最小子区间；
7、s5.重复执行步骤s2至s4，对所述搜索空间内的所有初始子区间处理完毕后，得到所述最小子区间内所有关于所述应急返回轨道的解，进而获得到所述应急返回轨道的可达域。
8、根据本专利技术的一个方面，步骤s1中，选取单条应急返回轨道求解时的设计变量，基于所述设计变量确定出用于区间分析的区间变量和优化变量，以及，根据所述区间变量的搜索空间，将所述区间变量分割成对应的多个初始子区间的步骤中，包括：
9、s11.确定出所述应急返回轨道求解时的设计变量为(λex，φex，δt1)，其中，λex表示月球影响球出口点处的经度，φex表示月球影响球出口点处的纬度，δt1表示应急机动处至月球影响球处的飞行时间；
10、s12.选取所述设计变量中的月球影响球出口点处的经度和月球影响球出口点处的纬度作为所述区间变量，选取所述设计变量中的应急机动处至月球影响球处的飞行时间作为优化变量；
11、s13.根据所述区间变量的搜索空间，将每个所述区间变量分别分割成对应的多个初始子区间；其中，所述初始子区间分别为第一初始子区间和第二初始子区间，所述第一初始子区间为p个，且基于对月球影响球出口点处的经度分割获得，所述第二初始子区间为q个，且基于对月球影响球出口点处的纬度分割获得。
12、根据本专利技术的一个方面，步骤s2中，基于所述优化变量，对每个所述初始子区间的区间上界和区间下界进行应急返回轨道的求解的步骤中，包括：
13、s21.分别选取一个所述第一初始子区间和一个所述第二初始子区间，并获取所述第一初始子区间和所述第二初始子区间中的区间上界或区间下界；
14、s22.以所述第一初始子区间和所述第二初始子区间中的区间上界或区间下界作为所述应急返回轨道在月球影响球出口点处的经度和纬度，构建所述月球影响球出口点在月固系下的位置矢量，其表示为：
15、
16、其中，上标mf表示月固系，ρm为月球影响球半径；
17、s23.基于所述优化变量和所述月球影响球出口点在月固系下的位置矢量，获得所述月球影响球出口点在月心j2000坐标系下的位置矢量，其表示为：
18、
19、其中，上标mj表示月心j2000坐标系，tex为出口点时刻，m(tex)为tex时刻月固系到月心j2000坐标系的坐标转换矩阵。
20、s24.基于所述优化变量、所述月球影响球出口点在月固系下的位置矢量和所述月球影响球出口点在月心j2000坐标系下的位置矢量获得月心段所述应急返回轨道的初始速度矢量vcr0、终端速度矢量vex和应急机动脉冲矢量δv；其中，应急机动脉冲矢量δv表示为：
21、δv＝vcr0-v0
22、其中，v0表示应急机动前的速度矢量；
23、s25.基于所述出口点时刻，所述月球影响球出口点在月心j2000坐标系下的位置矢量和所述终端速度矢量vex，获得所述月球影响球出口点在地心j2000坐标系下的位置和速度矢量，其表示为：
24、
25、
26、其中，和分别是tex时刻月球在地心j2000坐标系下的位置和速度矢量，可以通过jpl de430星历求解得到；
27、s26.通过对所述月球影响球出口点在地心j2000坐标系下的位置和速度矢量进行转换，获得所述应急返回轨道地心段部分的轨道根数，则得出从月球影响球出口点处到再入点的转移时间，其表示为：
28、
29、其中，μe为地球引力常数，agr为地心段应急返回轨道的半长轴，egr为地心段应急返回轨道的偏心率，e为再入点的偏近点角，可以由再入点的真近点角求得：
30、
31、真近点角由下式计算得到：
32、
33、其中，rvcp和rrp分别为真空近地点和再入点的地心距，进而可以得到再入点的轨道根数；
34、s27.对所述应急返回轨道终端再入点进一步设置约束，其表示为：
35、
36、其中，hrp和γrp分别为所述应急返回轨道终端瞄准的再入点的高度和再入角，hf和γf分别为应急返回轨道终端再入点的高度和再入角。
37、s28.对所述应急返回轨道的目标函数进行设置，并采用序列二次规划算法进行优化，得到满足约束条本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于区间分析的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，步骤S1中，选取单条应急返回轨道求解时的设计变量，基于所述设计变量确定出用于区间分析的区间变量和优化变量，以及，根据所述区间变量的搜索空间，将所述区间变量分割成对应的多个初始子区间的步骤中，包括：
3.根据权利要求2所述的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，步骤S2中，基于所述优化变量，对每个所述初始子区间的区间上界和区间下界进行应急返回轨道的求解的步骤中，包括：
4.根据权利要求3所述的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，步骤S3中，获取存在解的所述初始子区间，并对所述初始子区间进行收缩处理，获得收缩后的过渡子区间的步骤中，采用中点分割法对存在解的所述初始子区间进行收缩处理；其中，以所述初始子区间的中点为界，进一步将所述初始子区间分割成两个区间变量，以得到两个所述过渡子区间。
5.根据权利要求4所述的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，步骤S3中，若所述初始子区间不存在所述解，则消除该所
6.根据权利要求5所述的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，步骤S4中，判断所述过渡子区间的区间边界是否存在所述应急返回轨道的解，如果存在，则转步骤S4，若不存在所述解，则将其消除。
...【技术特征摘要】
1.一种基于区间分析的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，步骤s1中，选取单条应急返回轨道求解时的设计变量，基于所述设计变量确定出用于区间分析的区间变量和优化变量，以及，根据所述区间变量的搜索空间，将所述区间变量分割成对应的多个初始子区间的步骤中，包括：
3.根据权利要求2所述的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于，步骤s2中，基于所述优化变量，对每个所述初始子区间的区间上界和区间下界进行应急返回轨道的求解的步骤中，包括：
4.根据权利要求3所述的应急返回轨道可达域计算方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：李海阳，陆林，李泽越，李兴永，朱彬羽，李胜西，伏立峰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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