本发明专利技术涉及一种基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移设计方法，特别适用于流形接近的相邻行星轨道间的转移，属于航天器轨道机动技术领域。本发明专利技术首先给出一种脉冲消耗评估方法，为选择合适的不变流形给出了判断标准；然后通过计算不变流形在固定圆轨道上的庞加莱映射，确定借用不变流形转移轨道的范围并利用等高线图法得到速度增量最小的transit轨道；完成逃逸transit轨道与捕获transit轨道的设计后，在日心二体模型下拼接两端的transit轨道，最终完成基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移轨道设计；具有算法简单、计算效率高等优点，适用于不同行星固定环绕轨道利用不变流形的低能量转移轨道初始设计。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，特别适用于流形接近的相邻行星轨道间的转移，属于航天器轨道机动
技术介绍
传统转移方式的高燃料消耗严重制约着深空探测的快速发展，因此利用动力学技术进行转移的技术受到了越来越多的关注，特别是借用不变流形进行转移可以有效降低能量的消耗。借用不变流形的原理为合理的利用三体模型中主天体的长期摄动作用，从而有效的改变了轨道的能量。然而不变流形是一系列自然发生轨道的集合，至今无法给出简易的描述方法，如何利用不变流形进行转移从而降低能量消耗是当前流形应用中的一大难题。目前这方面的研究多针对同一系统下的转移或大质量比系统之间的转移，利用不变流行进行行星轨道之间转移的研究很少。行星间借用不变流形进行转移涉及到多个天体，而不变流形的描述通常只能在三体系统下进行，故需要同时考虑多个系统以及系统间的转换，无法简单套用前人方法完成轨道的设计。因此如何快速有效解算出基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移轨道关键设计参数，提高设计效率是当前科技人员关注的热点问题之一。在已发展的借用不变流形的异行星轨道间转移设计方法中，在先技术 (Topputo F,Vasile M, Bernelli-Zazzera F. Low energyinterplanetary transfers exploiting invariant manifolds of therestricted three-body problem. Journal of the AstronauticalSciences, 2005，53:353-372.)，针对低能量行星际转移轨道设计问题，结合庞加莱映射给出了表征出发不变流形与目标不变流形连接难易程度的函数，从而简化了转移机会的寻找问题；随后，利用全局搜索算法和局部优化算法对初始结果进行了进一步的优化。由于搜索过程为首先得到连接点后逆推到行星附近，并在近拱点施加脉冲转变为圆轨道，事先无法得知最终优化结果中环绕轨道的半径，故该方法无法应用于固定轨道间的转移。在先技术(Mingotti G, Topputo F, Bernelli-Zazzera F. Earth-Mars transfers with ballistic escape and low-thrust capture. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 2011, 110:169-188.)，针对结合多体动力学以及高比冲小推进系统的地火转移问题，首先考虑由地球逃逸的脉冲仅为切向，利用庞加莱映射给出了脉冲逃逸轨道的确定方法，该方法也适用于火星捕获轨道的确定；然后，利用直接法将小推力转移轨道的优化转换为一个多参数优化问题，并引入多重打靶法对该问题进行求解。该方法能够应用于借用不变流形的行星际固定轨道间转移设计问题，但由于逃逸的脉冲为切向的，人为的缩小了脉冲的设计范围，且没有考虑不变流形的优化，很难确定出最优的逃逸轨道。
技术实现思路
本专利技术针对现有设计方法无法选择最优的不变流形及全局最优的轨道转移机会， 结合庞加莱映射及等高线图法，提出了一种。本专利技术方法首先给出一种脉冲消耗评估方法，为选择合适的不变流形给出了判断标准；然后通过计算不变流形在固定圆轨道上的庞加莱映射，确定借用不变流形转移轨道的范围并利用等高线图法得到了速度增量最小的transit轨道；完成逃逸transit轨道与捕获transit轨道的设计后,在日心二体模型下拼接两端的transit轨道,最终完成基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移轨道设计。基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移轨道设计方法，具体包括如下步步骤I,设计逃逸transit轨道。步骤I. I,逃逸transit轨道的目标函数取为权利要求1.，其特征在于包括以下步骤步骤1，设计逃逸transit轨道；步骤I. I,逃逸transit轨道的目标函数取为2.根据权利要求I所述的，其特征在于所述步骤I. 2中最小值的估计值利用不变流形的性质得到；具体方法为Av1 最小值为3.根据权利要求I所述的，其特征在于所述星际转移段轨道的两个端点为逃逸transit轨道终端状态和捕获transit轨道终端状态。4.根据权利要求2所述的，其特征在于不变流形上轨道的近日点距离用零速度曲线与太阳的平均距离进行估计。全文摘要本专利技术涉及一种，特别适用于流形接近的相邻行星轨道间的转移，属于航天器轨道机动
本专利技术首先给出一种脉冲消耗评估方法，为选择合适的不变流形给出了判断标准；然后通过计算不变流形在固定圆轨道上的庞加莱映射，确定借用不变流形转移轨道的范围并利用等高线图法得到速度增量最小的transit轨道；完成逃逸transit轨道与捕获transit轨道的设计后，在日心二体模型下拼接两端的transit轨道，最终完成基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移轨道设计；具有算法简单、计算效率高等优点，适用于不同行星固定环绕轨道利用不变流形的低能量转移轨道初始设计。文档编号B64G99/00GK102923323SQ20121049922公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日专利技术者崔平远, 尚海滨, 乔栋, 吴伟仁, 王帅, 窦强 申请人:北京理工大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，设计逃逸transit轨道；步骤1.1，逃逸transit轨道的目标函数取为f1(C,α,r·)=Δv1+Δv2+Δv3-Δv3*→min其中：C为借助不变流形对应的雅克比积分，α为圆轨道的逃离相角，为施加速度增量Δv1后航天器相对于行星的半径变化率，为霍曼转移中到目标星轨道的制动脉冲；Δv1表示进入逃逸transit轨道的脉冲，Δv2为向目标星的逃逸脉冲，Δv3表示在目标星轨道处的制动脉冲；脉冲Δv2在近日点施加；步骤1.2，计算不同C取值的情况下，所有由初始轨道通过不变流形逃逸轨道的f1最小值估计值，选取估计值的极小值对应的C作为逃逸transit轨道的最优值；步骤1.3，计算圆轨道进入不变流行并逃逸的范围，从中选取最好的逃逸轨道；具体过程为：令CE表示C的最优值，设置庞加莱截面为Ψ={(x,y,x·,y·)|C(x,y,x·,y·)=CE,g(x,y,x·,y·)=0}其约束为g(x,y,x·,y·)=(x-1+μ)2+y2-rP=0其中，rP为初始轨道的轨道半径；选择相角的范围为：αmax=asin(y*/(x*？1+μ)),αmin=？π其中，(x*,y*)为Lyapunov轨道的最低点坐标；令∏(t)表示逃逸所通过的稳定流形，得到transit轨道的边界线：Γ={A=(x,y,x·,y·)|A∈Ψ,A∈Π(t)}在transit轨道的边界线内绘制目标函数f1的等高线图，选取最小值对应的α，根据到达日心近拱点的时间得到航天器在不变流形上运行的时间及最优的逃逸transit轨道；步骤2，取目标圆轨道作为目标轨道，出发星轨道作为估计的出发轨道，根据步骤1给出的逃逸transit轨道的设计方法，进行捕获transit轨道的设计；其中，Δv1表示进入目标轨道的脉冲，Δv2为由深空进入捕获transit轨道的脉冲，Δv3表示在出发星轨道处施加的逃逸脉冲；选择脉冲Δv2在远日点施加；步骤3，确定两端的transit轨道后，进行日心二体模型下的拼接，得到星际转移段轨道；采用网格法选取多个不同的离开出发星不变流形与进入目标星不变流形位置矢量的夹角θ与星际段飞行时间ti，θ的取值范围为[0,2π)，ti的取值范围为(0,tmax]，其中tmax为任务设计中星际转移段的最大转移时间；针对每一个网格点的θ、ti，计算星际转移段轨道的两个端点在日心惯性系下的相对位置；然后求解lambert问题，得到完成转移的总速度增量f2：f2=|Vi|+|Vt|其中Vi表示连接逃逸transit轨道和星际转移段轨道的脉冲，Vt表示连接捕获transit轨道和星际转移段轨道的脉冲；绘制总速度增量的等高线图，其对应的能量最低点位置为最好发射机会；将f2作为目标函数，利用牛顿迭代法对能量最低点进行局部优化，得到最优θ、ti，从而得到连接逃逸transit轨道和捕获transit轨道的星际转移段轨道，完成基于不变流形的行星际固定轨道间低能量转移设计。FDA00002488464200012.jpg,FDA00002488464200013.jpg,FDA00002488464200017.jpg...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：崔平远，尚海滨，乔栋，吴伟仁，王帅，窦强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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