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日地L2平动点任务转移轨道设计及优化

作　者: 高旭东
导　师: 徐波
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 三体问题 平动点 雅克比常数 不变流形 双三体轨道拼接法
分类号: V412.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 12次
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内容摘要


“嫦娥二号”在成功完成月球探测任务之后通过轨道机动实现了从环月轨道至日-地L2点轨道的转移，这是国内外首次开展该类型的空间任务，对轨道设计及控制提出了更高的要求。同传统的二体轨道不同，在平动点相关任务中一般均需要同时考虑多个大天体的引力作用，这实际上就是天体力学中的N体问题。目前，除了对于N=2（即二体问题）时，能得到轨道的解析解；当N≥3时，便不能得到解析解。由于多体问题下的轨道多样性要比二体问题复杂得多，所以有必要对从环月轨道至日-地L2点的转移轨道设计及优化做进一步的研究，寻找潜在的时间及燃料最优轨道。本文主要研究从环月轨道至日-地L2点周期轨道的转移轨道设计及优化问题，同时研究平动点周期轨道设计、转移轨道中途修正策略以及周期轨道保持问题。研究过程中主要采用的力学模型是平面圆型限制性三体问题以及在STK中建立的真实力模型。提出了一种基于雅克比常数以及不变流形的双三体轨道拼接法，将一条四体轨道分为两段三体轨道，对于从月球至地球影响球段，利用雅克比常数确定航天器从地月系统逃逸的低能转移轨道；而从影响球至L2点周期轨道段，则是利用周期轨道的不变流形设计低能转移轨道，最终在影响球处拼接为初始参考轨道。仿真结果表明该方法提供的初始参考轨道在真实力模型下通过微分修正之后能够得到实际的完整转移轨道，为日地月相关航天任务的转移轨道设计提供了一种理论参考。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-14
第一章 绪论  14-27
  1.1 引言  14
  1.2 平动点任务综述  14-22
    1.2.1 ISEE-C  14-15
    1.2.2 WIND  15-17
    1.2.3 SOHO  17-18
    1.2.4 ACE  18-19
    1.2.5 WMAP  19
    1.2.6 Genesis  19-20
    1.2.7 Herschel 和 Planck  20-21
    1.2.8 ARTEMIS  21-22
    1.2.9 嫦娥二号  22
  1.3 平动点轨道理论研究  22-25
    1.3.1 平动点轨道发展历史  22-23
    1.3.2 平动点附近的相空间结构  23-24
    1.3.3 周期轨道的同/异宿连接  24
    1.3.4 国内学者的研究成果  24-25
  1.4 本文工作及创新点  25-27
    1.4.1 本文工作  25-26
    1.4.2 本文创新点  26-27
第二章 基本概念  27-39
  2.1 坐标系及运动方程  27-29
  2.2 雅克比常数及希尔曲线  29-30
  2.3 平动点  30-32
  2.4 状态转移矩阵  32
  2.5 L1 和 L2 点附近的相空间  32-33
  2.6 Halo/Lissajous 轨道  33-35
  2.7 不变流形  35-37
    2.7.1 平动点的不变流形  35-36
    2.7.2 Halo 轨道的不变流形  36-37
  2.8 STK 真实力模型  37-38
    2.8.1 大行星引力模型  37
    2.8.2 太阳光压模型  37-38
    2.8.3 主天体非球形引力模型  38
  2.9 本章小结  38-39
第三章 日-地 L2 点周期轨道及拟周期轨道设计方法  39-56
  3.1 Halo 轨道的设计方法  39-51
    3.1.1 平动点旋转坐标系  39-40
    3.1.2 运动方程的级数展开  40-41
    3.1.3 Halo 轨道的计算  41-42
    3.1.4 三阶分析解  42-43
    3.1.5 Halo 轨道的幅值、相角关系  43-45
    3.1.6 微分修正法  45-47
    3.1.7 日-地 L2 点 Halo 轨道设计实例  47-51
  3.2 Lissajous 轨道设计方法  51-55
    3.2.1 二级微分修正法  51-53
    3.2.2 日-地 L2 点 Lissajous 轨道设计实例  53-55
  3.3 本章小结  55-56
第四章 从月球轨道至日-地 L2 点的转移轨道优化方法研究  56-79
  4.1 坐标系及变量定义  56-57
  4.2 三体兰伯特问题  57-58
  4.3 环月轨道至地球影响球的最优转移轨道  58-61
  4.4 从影响球至周期轨道的最优转移轨道  61-66
  4.5 双三体轨道拼接过程  66-69
  4.6 最优转移轨道的确定  69-73
  4.7 实际任务轨道设计  73-78
    4.7.1 简化模型中的转移轨道  73-76
    4.7.2 真实力模型中的转移轨道  76-78
  4.8 本章小结  78-79
第五章 转移轨道的中途修正  79-84
  5.1 中途修正策略  79-80
  5.2 中途修正算法  80
  5.3 数值仿真  80-83
  5.4 本章小结  83-84
第六章 L2 点周期轨道和拟周期轨道的轨道维持策略研究  84-89
  6.1 轨道保持算法  84-85
  6.2 轨道保持算例  85-88
    6.2.1 标称轨道计算  85-87
    6.2.2 轨道保持结果  87-88
  6.3 本章小结  88-89
第七章 总结  89-91
  7.1 本文主要工作总结  89
  7.2 后期工作展望  89-91
参考文献  91-96
致谢  96-97
在学期间的研究成果及发表的学术论文  97-98
附录一 转移轨道修正及周期轨道保持所取的靶点参数  98-99
附录二 三体动力学工具包  99

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 基础理论及试验 > 飞行力学 > 航天器飞行力学 > 航天器（包括卫星）的轨道
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