大偏心率轨道星上快速计算方法

卫星星上轨道的计算方法通常有解析方法和数值积分方法等.采用数值积分方法计算量较大,对于大偏心率的探测器任务轨道,解析方法也不适用.通过引入精密轨道与二体轨道的位置差,利用位置差拟合切比雪夫多项式系数,大大提高拟合精度.该方法计算精度高、计算速度快,可以很好地解决大偏心率椭圆轨道的星上轨道计算问题.

天体运动的轨道偏心率研究概述——从恒星系统到行星系统

偏心率是描述天体运动轨道的重要参数之一,能够为揭示天体的动力学演化提供重要线索,进而帮助理解天体形成与演化的过程及背后的物理机制.随着天文观测技术的不断发展,人们对于天体运动轨道的研究已经走出太阳系,包含的系统也从大质量端的恒星系统延伸到了低质量端的行星系统.聚焦天体轨道偏心率研究,回顾了目前在恒星系统(包括主序恒星、褐矮星以及致密星)和行星系统(包括太阳系外巨行星以及"超级地球"、"亚海王星"等小质量系外行星)方面取得的进展,总结了不同尺度结构下偏心率研究的一些共同之处和待解决的问题.并结合当下和未来的相关天文观测设备和项目,对未来天体轨道偏心率方面的研究工作进行了展望.

大偏心率火星探测器轨道外推的近似方法

对于快自转天体,如地球和火星,由于其非球形引力位中田谐项的振动频率与卫星运动频率相当,会给构造大偏心率环绕型探测器轨道分析解带来无法克服的困难。本文以轨道偏心率e≈0.9的＂萤火虫一号＂（YH-1）火星环绕探测器为例,探讨在精度要求不高的情况下,给出近似分析解和计算效率与其相当的数值解计算方案,以满足在计算资源有限的制约下快速轨道外推的要求。

地球公转轨道偏心率变化的构造运动响应

最近３Ｍａ发生的主要构造运动和气候变化事件，在准０．４Ｍａ周期上与地球轨道偏心率变化存在一致性。据黄土高原地层记录划分的构造气候旋回界限，日历年龄分别为０．０７、０．４６、０．８３、１．３２、１．７０、２．０８、２．７４ＭａＢＰ，对应于偏心率曲线波动幅度由大变小时段的特定转折位置。文中分析了地球公转运动变速的基本数据及其对地球自转运动和圈层相互作用的可能影响，探讨了轨道偏心率变化对构造运动的驱动机制，并指出了构造气候旋回研究可为地质力学理论发展展示良好的前景。

卫星轨道偏心率的变化特征及其对轨道寿命的影响

轨道偏心率的变化极其重要,它是制约各类(不同高度)空间飞行体轨道寿命的关键因素之一。对于地球低轨卫星,主要受大气耗散作用的影响,而对环月(或环火星)低轨卫星,主要受非球形引力位中奇次带谐项的影响,会出现变幅较大的长周期变化,从而导致近星点高度h_p在一段时间内有明显的下降趋势。对大偏心率轨道和高轨道,第三体的引力作用也会使e出现变幅较大的长周期变化,近星点高度h_p也会有明显下降的现象,这都会影响卫星的轨道寿命,但这一动力学机制与大气耗散机制和非球形引力机制都不相同。即对轨道偏心率的变化特征及其对轨道寿命的影响作一综述。

地球轨道偏心率变化对东亚季风气候模拟的影响

采用较为真实的椭圆轨道代替了原区域气候模式中的圆近似轨道 ,并进行了 1 0年模拟试验 ,用以了解该模式对东亚季风区气候年际变化的模拟能力 ,同时比较地球轨道参数计算变化对现代东亚季风气候模拟的影响。结果表明 :当把模式中的地球轨道计算从圆形改为椭圆时 ,中国东部的降水模拟有所改进 ,东亚地区的温度、降水、比湿等气候要素均出现夏季降低 (减少 )而冬季升高 (增加 )的季节变化趋势 ,而且亚洲冬、夏季风也均有减弱。但从总体上说 ,现代气候状况的模拟对地球公转轨道的计算方案不敏感。通过该工作的模拟研究说明 ,对较短时期的现代气候模拟 。

大偏心率远距离航天器编队飞行设计

为寻求适用于大偏心率远距离航天器编队设计的方法,摒弃了简化航天器相对运动非线性微分方程的传统思路,致力于简化该微分方程的解析解。首先,在同周期假定前提下,由运动学得到了椭圆轨道航天器相对于圆轨道航天器运动的封闭解析解,然后将其展开成傅立叶级数,证明了在特定条件下,单倍频项是最主要的,从而导出了编队飞行设计的新公式。最后以空间圆形编队设计为例,阐明了利用新公式进行编队设计的步骤,并用精确的数值计算验证了设计结果的正确性。与C-W方法和一般轨道参数设计方法相比,推导过程中并未采用小偏心率近距离假定,因此导出的新公式可适用于大偏心率远距离航天器的编队设计。

冻结轨道的一阶解

将 Brouwer早期研究所获得的一阶解变换为适用于小偏心率轨道的结果 ,根据这个结果可以清楚地看出冻结轨道就是精确的圆轨道 ,冻结的特性及其机理也可以清楚地显示出来。此外还进一步采用 Hill变量将冻结轨道的一阶解表示成一种非常简单的形式。

关于HEO空间飞行体的轨道寿命问题

低轨地球卫星的轨道寿命主要取决于大气的耗散作用,其轨道在不断变小(即高度降低)变圆的状态下进入地球稠密大气层中陨落.但HEO(Highly Eccentric Orbit)类型的空间飞行体的运行轨道是一个近地点高度很低,远地点高度却很高的大偏心率椭圆轨道,其轨道寿命主要由第三体(日、月)引力摄动所决定,而且还与其轨道的初始状态有密切关系,特别是慢变量Ω(轨道升交点经度)和ω(轨道近地点幅角),决定了偏心率e的长周期变化状态,从而制约了HEO类型空间飞行体的轨道寿命.本文将根据地球卫星轨道变化规律进行理论分析,阐明这一力学机制,并给出相应的数值验证.

大面质比空间碎片在太阳光压和引力作用下的轨道演化

分析了较高轨道(a>10000 km)大面质比空间碎片的轨道动力学演化问题.重点讨论了位于地球同步轨道的空间碎片轨道演化问题,并给出轨道偏心率随时间演化的表达式.通过进一步分析得出,倾角大于63°26′的GTO轨道空间碎片,仅在J_2和第三体摄动影响下,会出现轨道偏心率升高;而对于大面质比空间碎片,在J_2项和太阳光压同时作用下,当近地点指向的角变率与太阳平黄经变化率接近时,会出现长期共振现象,导致轨道偏心率升高,近地点降低.分析还得出,轨道演化过程中,偏心率的最大值与初始轨道近地点的指向有关.

组合体与飞船联合轨道维持

通过组合体与飞船联合轨道维持解决了组合体和飞船轨道多特征参数的控制问题。建立了升交点经度、轨道高度和偏心率的控制方程以及基于时间关联特性的升交点赤经和制动点高度耦合控制方程和偏心率保持的双冲量耦合控制方程。结合组合体与飞船的飞行特点,制定了组合体轨道维持实现升交点赤经和轨道偏心率以及飞船轨道维持实现制动点高度的联合控制策略。耦合控制方程使得组合体和飞船轨道维持的控制量分配合理,融合了各次控制之间存在的耦合影响,设计了联合轨道维持策略迭代计算流程。基于神舟九号交会对接飞行过程,通过多组仿真算例校验了组合体与飞船轨道多特征参数的联合优化控制,具有较好的工程应用价值。

Kuiper带天体轨道的观测特性

对当前已观测到的具有可靠轨道根数、位于30～50AU的Kuiper主带和50AU以外Kuiper散射带的轨道半长径、轨道偏心率和倾角的分布特性分别进行了统计作图分析.结果显示:轨道半长径在40～50AU之间的KBOs的数量呈近似正态分布,KBOs在共振区出现聚集,并且共振区天体普遍具有较大的轨道偏心率;经典KBOs的轨道倾角的分布范围比共振KBOs的还大;散射KBOs的近日点距离大多在30～45AU之间.

潮汐作用对Ba星系统轨道根数的影响

用整个系统的角动量守恒条件代替切向动量守恒条件 ,考虑轨道偏心率的二次以上的高次项和潮汐作用的影响 ,重新推导了星风质量吸积和轨道根数变化方程 ,在新的轨道根数变化方程的基础上计算了Ba星的星风质量吸积及轨道根数的变化 ,并和没有潮汐作用的情况作了比较 .计算结果表明 ,潮汐作用使轨道周期较小的Ba星系统的能量减小 ,所以系统轨道的半长轴和轨道偏心率减小 ;潮汐作用对长周期的Ba星系统的影响很小 ;其大小依赖于恒星半径和 2星距离的比 .

一种大椭圆轨道卫星星历预报方法

针对大偏心率轨道长时间星历预报,稠密输出星历的低效率问题,提出了一种新的星历预报方法。该方法通过建立卫星摄动力模型,对卫星运动方程进行数值积分来获取卫星星历。该方法的轨道积分器以标准的8阶Adams-Cowell多步法为基础,针对大偏心率轨道的特性,在一个轨道周期的不同时段内采用不同的积分步长,同时引入了用于生成小间隔等间距卫星星历的插值公式。该方法降低了卫星运动方程右函数的计算次数,尤其适用于需要稠密输出卫星星历的情况。以STK(Satellite Tool Kit,卫星工具包)的HPOP(High Precision Orbit Propagator,高精度轨道预报)模型为验证基准,通过数学仿真校验了该方法的有效性和精度。算例表明,该方法在预报精度损失很小的情况下,计算时间远小于标准的多步法和HPOP模型。

地球磁场对带电人造卫星轨道根数的摄动影响

研究了地球磁场对带电的非赤道卫星的轨道根数的摄动影响。理论结果表明 ,地球磁场对带电卫星的轨道半长轴没有摄动影响 ,既无周期摄动 ,也无长期摄动 ,但对轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点经度和历元平近点角均有周期摄动 ,且对升交点和近地点经度还有长期摄动效应。通过算例表明 ,当卫星带有大量电荷时 。

共振Kuiper带天体轨道稳定性的数值模拟

对当前观测到的具有可靠轨道根数的共振Kuiper带天体的轨道未来演化进行数值模拟发现,它们的轨道在一亿年的时间演化中具有相对稳定性,即仍处于各自的共振区中,但稳定程度不同,且共振天体的轨道稳定性和其初始轨道半长径、偏心率和倾角有关.根据其轨道半长径、偏心率和倾角随时间的演化行为,这些共振天体可以分为具有"规则轨道"和"混沌轨道"两种类型.

Kuiper带天体轨道稳定性的数值模拟

采用数值模拟的方法.选用由太阳、海王星和Kuiper带天体组成的限制性三体问题的数值模型,分别对Kuiper带天体轨道进行10^7和10^8年的数值积分.分析天体的初始轨道偏心率、初始轨道倾角、海王星的平运动共振及生存时间对其轨道稳定性的影响.

始新世以来地球轨道偏心率的演化

地球轨道要素的变化已作为确定地质年表的一种重要依据。应用地球轨道参数变化理论计算值来进行小波分析,结果清楚地展示出偏心率值约100ka、405ka、1Myr和2.3Myr等周期成份的随时间变化特征,100ka和405ka周期的振幅强度的变化成反相位关系,2.3Myr周期对100ka和405ka周期成份有调制作用。0—51Ma范围内变化较为稳定的地球轨道偏心率值的变化分析可以为地质年龄的划分和对比提供一定的参考。

地球轨道偏心率40万年和10万年周期的行星驱动

本文在创建行星会合指数(K)运动学方程,并获得太阳绕太阳系质心绕转具有约22年周期的基础上,试从行星摄动对地球轨道偏心率(e)影响出发.分析了行星系统中对地球引力最大的地外行星-木星和引力其次的地内行星-金星的轨道拱线与地球轨道拱线的会合周期,发现木星可造成e具有40万年周期性变化,而金星可造成e具有10万年周期性变化.

大偏心率椭圆轨道星上轨道外推的参数化模型

众所周知,数值方法和分析方法都可以用于轨道预报.一般而言,采用数值方法可以获得更高的精度,采用分析方法可以达到更高的效率.对于近圆轨道卫星,已有许多成熟的数值方法和分析方法可以用于轨道预报.而对于大偏心率椭圆轨道卫星,这些方法都有各自的局限性.传统的数值积分器工作效率较低;分析方法中多采用简化的力模型,因而可以达到的精度有限.为实现大偏心率椭圆轨道卫星的星上轨道预报,本文提出了一种解决方案.其核心思想是基于摄动分析解的表达式,尝试构造拟合公式,用不同的频率项反映摄动影响下轨道根数的周期变化和长期变化.最终以拟合和计算的过程代替求解微分方程,建立参数化模型,从而实现轨道外推.应用此模型时,将首先通过拟合公式对真近点角f、近点角距ω、升交点经度Ω、轨道倾角i和地心距r进行拟合与计算,然后利用这5个轨道根数计算出卫星在惯性坐标系下的位置矢量,得到最终的预报结果.为检验方法的可行性,本文利用该参数化模型对33颗闪电轨道卫星进行了轨道外推.对每颗卫星分别进行28组试验,每组算例的外推弧段为3天.数值试验结果表明,轨道根数f,ω,i与r的计算结果受到轨道偏心率的影响.3天内,轨道外推的位置精度一般约为百米级.