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深空探测器轨道设计与修正方法研究

作　者: 葛春生
导　师: 耿云海
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 深空探测遗传算法脉冲星导航太阳帆轨道修正
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

轨道设计是深空探测的基础,选择合理的轨道不仅可以节省大量的燃料还可以缩短飞行时间而降低风险。本文就深空探测任务中涉及到的发射窗口搜索、深空自主导航和轨道修正问题进行了研究,并验证了所选方案在深空探测中的有效性与可行性。首先,针对深空探测器的发射窗口选择问题,采用遗传算法的寻优原理,以发射时间和飞行时间为寻优变量,以发射能量最小为目标函数,进行遗传搜索以得到探测器的最佳的发射窗口。通过求解Lambert问题,得到发射时刻和到达目标星时刻探测器的速度,并基于二体问题模型,设计了地球逃逸轨道和日心转移轨道。其次,针对深空探测任务中的自主导航问题,采用脉冲星的导航方法进行对深空探测器在太阳系内的位置的确定。根据太阳系质心惯性系为基准坐标下的脉冲星时间相位模型,以探测器测量时间到太阳系质心力学时的转换方程为基础,设计了线性模型下采用最小二乘法进行位置和时间误差估计的导航算法。选取四颗脉冲星进行了导航的仿真验证,分析了不同初始位置误差和测量时间误差情况下的仿真精度。最后,针对深空探测器的轨道修正问题,提出了基于太阳帆姿态调节的轨道修正方法。在建立太阳帆轨道动力学与太阳光压力模型的基础上,推导了太阳帆锥角、转角,与轨道推力、探测器姿态之间的数学关系。通过将目标轨道根数转化为位置速度的方法,设计位置速度反馈的轨道控制律。并根据轨道修正的要求,设计探测器的姿态控制律,达到通过调节太阳帆姿态来获得轨道修正需要的太阳光压力,进而对轨道进行修正的目的。最后,通过数学仿真验证了基于太阳帆姿态调节的轨道修正方法的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题背景、研究目的及意义  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 深空探测研究现状  11-14
    1.2.2 脉冲星导航研究现状  14-16
    1.2.3 太阳帆航天器研究现状  16-17
  1.3 论文的主要研究内容  17-19
第2章基础理论  19-25
  2.1 引言  19
  2.2 坐标系定义  19-21
  2.3 二体问题  21-22
  2.4 时间系统  22-23
  2.5 行星星历  23-24
  2.6 本章小结  24-25
第3章深空探测器轨道设计  25-43
  3.1 引言  25
  3.2 Lambert问题描述  25-27
  3.3 基于遗传算法的发射窗口搜索  27-35
    3.3.1 遗传算法  27-31
    3.3.2 发射窗口搜索  31-35
  3.4 基于圆锥曲线拼接法的轨道设计  35-42
    3.4.1 日心转移轨道设计  37-40
    3.4.2 地心逃逸轨道设计  40-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章基于脉冲星的深空导航  43-57
  4.1 引言  43
  4.2 脉冲星导航原理  43-51
    4.2.1 脉冲星及其特性  43-45
    4.2.2 脉冲星相位时间模型  45-46
    4.2.3 时间坐标转换  46-49
    4.2.4 导航原理  49-51
  4.3 基于脉冲星的位置导航算法  51-52
  4.4 仿真验证与导航精度分析  52-56
  4.5 本章小结  56-57
第5章基于太阳帆的深空探测器轨道修正  57-72
  5.1 引言  57
  5.2 太阳帆轨道动力学建模  57-64
    5.2.1 锥角和转角  58-61
    5.2.2 太阳光压力  61-62
    5.2.3 太阳帆轨道动力学方程  62-63
    5.2.4 Gauss形式的密切轨道六根数微分方程  63-64
  5.3 基于太阳帆姿态调节的轨道修正系统设计  64-68
    5.3.1 轨道控制律设计  64
    5.3.2 太阳帆姿态—轨道修正系统设计  64-68
  5.4 仿真验证与结果分析  68-71
  5.5 本章小结  71-72
结论  72-74
参考文献  74-77
附录1 行星的轨道根数及其世纪变化率  77-79
致谢  79

深空探测器轨道设计与修正方法研究

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