第三体引力摄动的近地轨道卫星相对运动方程

针对受第三体引力摄动的近地轨道卫星,推导了基于参考卫星轨道要素RSV的卫星运动方程、以及卫星的相对运动方程。两组方程均以显式给出,形式简洁且较为精确。基于这两组方程,本文还定性地分析了第三体摄动对卫星(相对)运动的影响。

环火探测器非球形引力摄动运动的频率分析方法

环火探测器的摄动分析解对于分析探测器轨道运动规律以及星载计算具有比较重要的意义。针对火星非球形引力摄动影响下环火探测器的运动,采用频率分析方法,对环火探测器轨道运动进行仿真,得到了与KAM理论一致的结果,在火星非球形引力摄动作用下的环火探测器轨道位于一个不变环面,可由3个角变量的频率描述。利用该方法,采用数值方法构建轨道运动的分析表达式,通过与数值积分结果的比对,证明该分析表达式具有较好的精度,适合长时间的轨道外推,可以满足航天任务的星载应用需求。该方法不仅可以给出环火探测器在任意时刻的轨道状态量,同时可以较高精度地确定3个角变量的变化率,反映一定的轨道变化规律。

行星三体引力摄动对卫星探测器大气制动的影响

考虑行星引力在其卫星探测器大气制动过程中的显著摄动,建立了基于Milankovitch参数的平均轨道动力学模型并对土卫六探测器进行仿真。首先,将轨道参数转换为无奇异的Milankovitch参数,考虑探测卫星的大气阻力、扁率摄动以及行星引力摄动,建立了半解析轨道方程。其次,以土卫六探测器为对象,选择不同的土星初始方位角进行有大气和无大气情况下的数值仿真,并进行比较分析。结果表明,土星初始方位角的选择会引起土卫六大气制动轨道偏心率和近拱点高度在不同范围内震荡,极大地影响大气制动效果。

高轨卫星的月球引力摄动效应研究

在影响高轨卫星的各种因素中,第三体引力对卫星的影响仅次于地球中心引力和地球非球形引力。采用龙格-库特塔-费尔布尔格(RKF)单步法和12阶亚当斯(Adams)预估校正法,对距地心4万km左右的高轨卫星轨道进行积分,获取卫星的轨道根数;然后利用8阶滑动拉格朗日插值法,计算月球引力摄动加速度。计算结果表明,当地月连线向量与卫星轨道面的夹角为0时,月球引力对卫星加速度、轨道长半轴、轨道偏心率和轨道平近点角的影响最大;当地月连线向量与卫星轨道面的夹角为90°时,月球引力对轨道倾角的影响最大。

顾及地球引力摄动的卫星和卫星星下点位置计算

本文叙述了顾及地球引力摄动的卫星化置计算方法；利用天球坐标系与地球坐标系之间的坐标变换关系，给出了由卫星位置计算卫星星下点位置的严密计算公式。

高阶带谐摄动下卫星相对运动精确动力学模型

在考虑J2项摄动的卫星相对运动精确动力学模型基础上,推导了可以精确到任意阶带谐非球形引力摄动的卫星相对运动精确动力学模型,还给出了一组简洁的基于参考卫星轨道要素(Reference Satellite Variables)的微分方程,能够描述精确到任意阶带谐非球形引力的卫星地球轨道运动。由于在模型推导过程中没有引入任何简化,新推导的结果适用于任意偏心率的地球轨道。

日月摄动对高精度惯导系统的影响

针对日月摄动对长航时高精度惯性导航的影响,对其引起的导航误差进行了研究。基于JPL星历DE405,建立了日地月系统的轨道模型,获得三者相对位置信息。利用此轨道模型求解出日月引力摄动对地球表面的惯性器件产生的比力最大达到0.15μg。同时开展了长航时高精度纯惯性导航仿真验证,结果显示日月引力摄动单日内最大可以引起米级的惯性导航定位误差,并在长航时导航中呈现出周期性。同时摄动对导航的影响随着纬度变化而变化,在30°附近影响相对较小,其产生的定位误差在超高精度惯性导航中需要予以考虑。

不同高度范围月球卫星轨道受摄分析

目前月球探测任务具有多样性,需要采用不同高度的月球卫星轨道,因此研究摄动力对不同高度月球卫星轨道的影响具有重要意义。文章首先分析了月球非球形摄动、地球引力摄动和太阳引力摄动三种摄动力大小随高度的变化规律。在此基础上,仿真计算了这三种摄动对不同高度月球卫星轨道的影响,得到了轨道要素和近月点高度在不同轨道高度范围内随这三种摄动力的变化规律。最后在近月点高度为百米级精度的条件下,给出了不同高度范围需要考虑的摄动力,为新型月球任务轨道设计和轨道控制提供参考。

高阶次月球重力场模型截断下的低轨环月卫星轨道受摄分析

研究低轨月球卫星在月球非球形摄动和地球第三体引力摄动作用下轨道高度变化问题。首先依据Kaula准则比较分析目前国际上公认的最精确的两个重力场模型GLGM-2和LP165P,提出了在一定阶次截断重力场模型的问题,然后通过仿真不同阶次重力场模型作用下轨道高度为50km的圆形极轨道环月卫星轨道特征的变化,验证了50km以上高度卫星非球形摄动分析时可以将重力场模型截断至一定阶次的结论,并利用截断至70阶次的重力场模型仿真得到了50km和200km圆轨道卫星无控条件下正常运行的时间。最后在仿真地球引力对200km圆轨道卫星高度影响的基础上仿真其在月球非球形和地球引力摄动作用下轨道要素变化,对低轨环月卫星轨道保持控制提供依据。

基于不同天文标准计算地球引力对卫星轨道的影响

建立了一个考虑地球非球形引力摄动的卫星轨道摄动模型并用C++语言编写程序进行轨道计算,其积分器采用Runge-Kutta-Fehlberg7(8)。建模过程中,对岁差、章动等量的计算分别考虑了美国海军天文台1981年和2005年的两种天文标准。通过与STK对比,发现无论采用哪一种标准,轨道传播两天后的位置误差都不会超过分米量级,速度误差不会超过毫米每秒的量级。说明了建模和编程计算的合理性,以及采用新旧两种天文标准计算卫星轨道的差别甚小。

关于土卫八运动的轨道解

为了适应星际探测的需要，本文建立了在新的精度要求下土星卫星运动对应的力学模型，具体讨论了土卫八的运动，并针对主要摄动源土卫六的引力作用，建立了轨道变化的分析解，以此表明建立土卫运动理论应该采取的途径和精密定轨宜采用以轨道根数作为状态量的数值定轨方法。

非球形引力位中J_3项对轨道的影响及应用

地球的非球形引力摄动是人造卫星环绕地球飞行过程中所受到的摄动中较重要的一项。在人造卫星的精密定轨和卫星位置的预报中,人们往往对J2项比较重视,但是对于J3项的研究比较少。为了解J3项的性质,文中分析了非球形引力位中J3项对于卫星轨道的影响,通过严格的公式推导,得到J3项对轨道偏心率以及轨道倾角的影响,详细地介绍利用它形成冻结轨道的基本原理。通过数值实验对得到的基本理论以及应用进行验证。结果表明J3项是冻结轨道形成的重要因素。

星历模型地月系统平动点拟周期轨道设计研究

为改进使用圆形限制性三体模型设计轨道时缺乏摄动分析的不足,提高轨道设计的精度,对星历模型地月系统平动点拟周期轨道设计方法进行了研究。在不设置假设条件的前提下,考虑月球真实轨道及地球、月球和太阳的影响,在地心J2000惯性坐标系中建立平动点附近航天器高精度的星历模型。以圆形限制性三体中的周期轨道作为迭代初值,用星历表数据对轨道进行拼接获得所需的拟周期轨道;用多步打靶法替代单步微分修正进行迭代,对轨道上各节点进行校正以获得所求的拟周期轨道,给出了轨道设计步骤。仿真结果表明:所提方法可有效获得地月系统平动点附近拟周期轨道,提供满足真实动力学环境的轨道,有效节约轨道保持所需的燃料。该方法有较大的工程应用价值。

考虑太阳光压的小天体附近自然绕飞轨道研究

在小天体附近是否存在探测器的长寿命自然绕飞轨道是近小天体段轨道设计中的重要问题。针对不规则小天体附近复杂动力学环境,综合考虑不规则引力摄动J_(2)、J_(3)、J_(4)项,太阳光压摄动和可能存在的星蚀情况,基于平均动力学和冻结轨道求解方法发展了一种能够快速确定小行星附近长寿命自然绕飞轨道的类型和存在区域(轨道根数存在范围)的半解析方法。分析了考虑光压摄动、星蚀以及小行星-探测器系统参数变化对这些轨道存在区域的影响。搜索了潜在威胁小行星99942 Apophis附近可能存在的自然绕飞轨道,发现了两类长寿命轨道族:存在域小且对参数不确定性更敏感的向日轨道族和半长轴跨度范围较大且稳定性更好的晨昏线轨道族。研究结果表明太阳光压对不规则小天体附近长寿命绕飞轨道的存在情况影响显著。考虑光压摄动后,长寿命轨道存在域显著减小。随着光压摄动的增强,向日轨道偏心率增大,而晨昏线轨道偏心率减小,两类轨道的半长轴覆盖范围均减小。

双月旁转向轨道的修正方法研究

双月旁转向轨道是深空探测中有应用潜力的一类非线性轨道.在CR3BP模型下得到了双月旁转向轨道,通过分析轨道的误差传播特性,制定了双月旁转向轨道的修正原则,提出了"关键节点"加"显式制导"的修正思路;给出了考虑太阳引力作用的R4BP模型,针对初始误差、导航误差、修正执行误差和太阳引力摄动偏差进行了轨道修正仿真,得到了基于Monte-Carlo方法的轨道修正统计结果.在此基础上,采用了"初值速度补偿"与"显式制导"相结合的思路修正初始误差、导航误差、修正执行误差和太阳引力作用,仿真表明:这一方法能够较大程度地降低轨道修正所需的冲量.结果和结论能够为双月旁转向轨道的工程应用提供参考.

地球非球形对卫星轨道的长期影响及补偿研究

首先建立了地球非球形引力摄动模型,通过对地球非球形引力摄动对卫星轨道的长期影响分析发现,地球非球形引力摄动对卫星轨道升交点赤经和沿迹角的漂移量与时间成近似线性关系;然后推导了通过主动偏置半长轴和倾角的方法来补偿摄动长期影响的计算公式,设计了基于仿真的地球非球形引力摄动补偿方法;最后对G lobalStar星座卫星进行仿真与试验。结果表明,设计的补偿方法是可行的,摄动补偿后在地球非球形引力摄动作用下卫星轨道的长期稳定性得到了很好的保持。

目标天体极轨道卫星的轨道寿命

星际探测器轨道的特征与探测目的密切相关 ,对目标天体两极地区进行探测显然采用的是极轨道 (或接近极轨道 )。对于这类卫星 (或称轨道器 ) ,如果轨道半长径较大 ,则会因第三体摄动导致轨道偏心率增大 ,使其近星距减小到等于目标天体的赤道半径而落到该天体上 ,结束其运动寿命 ,即使目标天体不存在大气 (如月球等 )亦会如此。

Halo轨道编队保持控制方法及仿真分析

开发深空探测,研究对近地建立空间站。针对地月L1点空间站与绕飞航天器的构型保持控制问题,共线平动点附近的运动具有较强的不稳定性,太阳引力摄动对Halo轨道编队构型具有较大的影响。为实现Halo轨道编队的稳定飞行,根据Floquet模态理论设计了Halo轨道编队保持控制器,在分析消除模态4最优控制策略的基础上,研究了Floquet模态之间的内在耦合关系,进一步提出了模态相消控制策略,降低了保持控制燃耗。在限制四体模型下,对太阳引力摄动下的Halo轨道编队保持控制问题进行了数值仿真,仿真结果表明:保持控制器可实现Halo轨道编队相对运动构型保持,且具有较高的控制精度,不存在误差积累现象。

地球静止轨道CW方程建模误差分析

针对地球静止轨道的小倾角、小偏心率的特点,本文在瞬时密切轨道坐标系推导分析了CW方程的各类误差要素,包括地球非球形摄动、三体引力等环境误差,以及线性化误差、非圆轨道相关误差等。采用误差线性化方法结合CW方程解析解得到了J_(2)、偏心率相关误差项的解析表达式。数值计算表明:地球静止轨道下CW方程的误差项要素较多,与相对运动构型的尺寸、漂移特性等均相关。二次项误差、偏心率相关误差、J_(2)项相关误差量级相当,是地球静止轨道CW方程的主要误差源,同时呈现出常数和低频波动相结合的误差形式,分析结果可作为地球静止轨道高精度相对导航和制导设计的理论依据。

高精度重力场下回归轨道半解析优化设计

为解决太阳同步回归轨道的标称设计问题,提出一种基于高精度重力场的半解析优化方法。建立地球非球形引力摄动阶数为J_(15)的高精度重力场解析模型,并分离出引力摄动的长期项和长周期项。构建回归轨道从半长轴到平交点周期的对应关系,平交点周期变化随引力摄动阶数的提高而逐渐收敛。通过微分修正迭代算法所确定的半长轴相对于传统J_2摄动模型的半长轴确定值具有更高的精度和更好的稳定性。考察摄动短周期项影响下的密切交点周期,结果表明其受初始位置(平近点角)影响较大,变化范围为0.015 s,并由此给出精确回归轨道优化设计的基准:不同的初始位置上满足星下点轨迹严格回归的半长轴期望值。