近地小行星远距离逆行轨道监测布局与效能评估

针对近地小行星地基监测系统对日不可见盲区限制、监测体系发现与编目能力不足等问题,提出了天基远距离逆行轨道4星监测系统解决方案,据此定量化分析了天基监测系统对上述问题的解决能力,建立了配套的效能评估模型,给出了对应评估软件的实现流程,按照可见光和红外谱段完成了各要素整合后得到评分。通过分析评估,印证了远距离逆行轨道监测布局对地基监测系统不可见盲区全时可见的补偿效能,以及对目标发现编目能力的提升,可为后续天基监测体系的建设提供设计参考。

地月远距离逆行轨道脉冲调相方法

地月远距离逆行轨道(DRO)在月球探测、地月空间开发等任务中具有重要价值。针对地月DRO的脉冲调相机动问题,提出了直接调相和间接调相两种调相方法。首先,通过数值方法构建了地月DRO直接调相策略的可行集,分析了调相机动起点和终点位置选择对调相性能的影响,得到了双脉冲最优和次优调相机动策略。针对相位差较大的调相问题,进一步提出了双脉冲弧段组合调相策略。其次,利用地月平动点周期轨道及其同宿、异宿转移轨道,构造了地月DRO间接调相方法,并分析了不同雅可比常数下间接调相策略的燃耗和飞行时间。最后,分析对比了间接调相轨道与直接调相轨道的性能,给出了两者的适用条件。研究结果将为地月DRO的广泛应用开发提供理论基础。

基于地基测量数据的月球DRO轨道定轨精度分析

针对地月空间DRO探测,基于中国深空探测任务的现有测量条件,仿真分析月球DRO轨道探测器定轨预报精度。采用批处理定轨方法,选择以地球为中心天体进行轨道积分,并增加了月球非球形引力摄动。计算分析表明,在目前的测量条件下,2天短弧测距单独定轨精度为km量级,速度精度优于3cm/s,预报7天三维位置最大差异为数10km量级,速度差异小于6 cm/s;测距联合VLBI定轨精度为百米量级,速度精度优于0.4 cm/s,预报7天三维位置最大差异为千米量级,速度差异小于2cm/s,VLBI数据的加入能显著提高DRO短弧定轨预报精度。5天长弧测距单独定轨精度优于1km,速度精度优于1cm/s,预报7天三维位置最大差异小于2km,三维速度最大差异小于1cm/s,增加定轨弧长对测距数据单独定轨预报精度有显著提高。

基于数值延拓的日月综合借力DRO入轨策略

远距离逆行轨道(DRO)是地月空间中的一类周期轨道,这类轨道具有长期稳定、入轨能量低的特点,可作为未来载人月球和载人火星任务的中转站。对于地球至DRO的两脉冲入轨任务,采用日月综合借力(即同时使用弱稳定边界(WSB)和月球借力(LGA))可以最大化入轨质量,但是这类轨道对初值非常敏感。使用日月综合借力拓展DRO入轨脉冲包络,改进构造方法和提供解析梯度大幅提高多步打靶收敛率,提出2层伪弧长延拓方法进一步降低任务总脉冲。数值仿真采用共振比为2∶1的DRO,脉冲最低解采用“LGA+WSB+2LGA”的飞行模式,飞行时间为123天,近地轨道发射脉冲为3.125 km/s,DRO入轨脉冲仅为19.7 m/s。

地月空间的远距离逆行轨道族及其分岔研究

地月系统中存在着一类绕月逆行、高度稳定的轨道族,称为远距离逆行轨道族(DRO)。以圆型限制性三体问题(CR3BP)为动力学模型研究了DRO轨道族周边的动力系统结构。利用Broucke稳定性图寻找分叉点,判断分叉类型,基于数值延拓计算分岔后产生的一系列新轨道分支。分叉类型主要有切分叉与多倍周期分叉(从3倍周期开始),轨道维度包含平面轨道族与三维轨道族。计算新轨道族的特征,包括形状、周期、能量、稳定性、双曲流形结构等。探讨周期轨道的轨道周期与能量的关系,以几何化的方式展现分叉结构、多周期轨道的双曲流形结构等。该动力结构将为基于DRO轨道族的地月空间任务提供重要的理论支持。

基于DRO的小行星往返飞越探测轨道设计优化方法

远距离逆行轨道(Distant Retrograde Orbits,DRO)是地月系统内一类稳定的周期性轨道,本文研究航天器从DRO轨道站出发,通过月球和地球引力辅助实现飞越探测近地小行星的往返转移轨道设计方法。通过地月引力辅助作用和中途杠杆机动等技术手段减少调整倾角所需的速度增量,扩大在相同速度增量约束下飞越探测小行星的可达范围。同时,通过引入DRO调相轨道,减少DRO逃逸和俘获时的相位约束,将转移轨道段与DRO轨道站的相位解耦,从而降低了该问题的计算复杂度。仿真结果表明,在2 km·s–1的速度增量等约束条件下,通过此研究方法可以实现从DRO轨道站出发飞越探测近地小行星并返回的轨道设计。

DRO卫星编队同波束差分相对导航

针对地月空间远距离逆行轨道(Distant Retrograde Orbit,DRO)卫星编队相对导航的需求,提出一种同波束差分相对导航方法。在地月空间中,2颗DRO卫星所构成的编队可被1颗近地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星发出的测量波束所覆盖,从而与该LEO卫星同时建立2条观测链路。由这2条测量链路得到的差分测量数据与地月三体轨道动力学模型相结合,即可实现DRO卫星编队相对导航。DRO处于地月三体引力场非对称性较强的空间,根据LiAISON原理,运行于该轨道的卫星与LEO卫星建立的1条测量链路即可实现自主导航,从而可确定其中1颗DRO编队卫星与LEO卫星的绝对轨道状态。同波束差分相对导航方法以两星的绝对状态作为约束条件,利用差分测量数据消除测量中的共同误差,可获得DRO卫星编队的高精度相对状态。分别对DRO近距离卫星编队(星间距离为50km)及DRO远距离卫星编队(星间距离为数万km)相对导航的性能进行了仿真测试。结果显示,星间测距噪声为0.5m时,相对导航位置精度为5m,该结果比利用绝对导航作差提高了4倍。

远距离逆行轨道上的近距离自然及受控编队

远距离逆行轨道(DROs)是地月空间中一族稳定的周期轨道,适用于地月空间站等长期任务。为维持任务的长期存在,交会对接及编队飞行等任务是必要的。因此有必要分析远距离逆行轨道上的近距离相对运动解,并进行编队设计。首先,基于Floquet理论得到了远距离逆行轨道上的近距离线性化相对运动的基础解集,并对其解进行了分类与分析。其次,以基础解集中的自然周期解为基础设计了伴飞编队,并对其特性进行了全面分析。之后,针对圆形受控绕飞编队做了详细的分析,可用于指导后续受控编队的设计。最后,设计了两点之间的安全转移编队,可用于任意两点之间的转移,并保证转移过程中主星与副星之间具有足够的安全距离。

DRO计算及其在地月系中的摄动力研究

针对远距逆行轨道(DRO)的航天工程应用问题,研究了DRO的计算方法以及轨道特性,分析了DRO在实际力环境中的主要摄动因素,为DRO的精确建模和标称轨道设计奠定一定的理论基础。首先,利用仿真算例验证流函数法在计算DRO周期轨道族中的有效性。然后,利用该方法,通过改变雅可比常数,延拓计算DRO周期轨道族,获得不同共振比的DRO,仿真结果表明整数共振比的DRO在地月惯性坐标系中的轨迹是封闭的曲线,而共振比非整数的DRO则不封闭。最后,通过轨道外推分析影响DRO稳定性的主要摄动因素,仿真结果表明太阳引力和月球轨道偏心率是影响DRO稳定性的主要摄动因素。在动力学模型中,使用标准星历表示行星的运动状态,当积分时间多于10天时模型误差为km量级,因此在地月系这样大尺度的空间范围内,可以使用星历模型近似的分析DRO在真实力环境中的运动状态,为任务轨道设计提供依据。

地月空间探测器星间测距自主定轨

地月空间导航、定位和授时均离不开探测器的精密轨道信息,目前在地月空间主流探测器精密定轨仍依赖地基测量,包括地基测距、测速和干涉测量等技术.星间测距技术已经在北斗等卫星导航系统中得到充分应用,测量精度高且易于实现.由于引力对称性,地球附近卫星仅利用星间测距不能实现自主定轨,而地月空间存在众多引力非对称性区域,可以实现基于星间测距技术的自主高精度定轨.本文推导了相对论框架下的地月空间探测器星间双单向测距数据处理算法;针对地月空间平动点和DRO等区域典型轨道探测器,利用仿真数据分析了基于星间测距的地月空间探测器定轨精度.分析结果表明,引力非对称性强弱和轨道动力学约束是影响地月空间探测器定轨精度的重要因素.仿真分析结果还表明,1 m精度的探测器星间测距可以实现优于10 m的地月平动点和DRO探测器定轨精度.引入地球MEO卫星后一方面可以提高定轨精度,另一方面也有利于平动点探测器的快速轨道恢复.