Port-Hamiltonian Based Control of the Sun-Earth 3D Circular Restricted Three-Body Problem: Stabilization of the <i>L</i>₁Lagrange Point

In this paper, we use Port-Hamiltonian framework to stabilize the Lagrange points in the Sun-Earth three-dimensional Circular Restricted Three-Body Problem (CRTBP). Through rewriting the CRTBP into Port-Hamiltonian framework, we are allowed to design the feedback controller through energy-shaping and dissipation injection. The closed-loop Hamiltonian is a candidate of the Lyapunov function to establish nonlinear stability of the designed equilibrium, which enlarges the application region of feedback controller compared with that based on linearized dynamics. Results show that the Port-Hamiltonian approach allows us to successfully stabilize the Lagrange points, where the Linear Quadratic Regulator (LQR) may fail. The feedback system based on Port-Hamiltonian approach is also robust against white noise in the inputs.

Koopman Reduced Order Control for Three Body Problem

In this paper, we use a Circle Restricted Three-Body Problem (CRTBP) to simulate the motion of a satellite. Then we reformulate this problem with the controller into the description using Koopman eigenfunction. Although the original dynamical system is nonlinear, the Koopman eigenfunction behaves linearly. Choosing Jacobi integral as the Koopman eigenfunction and using the zero velocity curve as the reference for control, we are allowed to combine well-developed Linear Quadratic Regulator (LQR) controller to design a nonlinear controller. Using this approach, we design the low thrust orbit transfer strategy for the satellite flying from the earth to the moon or from the earth to the sun.

圆型限制性三体问题下Halo-绕月轨道的星间测距定轨

在传统星座自主定轨中,SST(satellite to satellite tracking)可以同时提供轨道的大小、形状和星座相对方位信息,但不能确定星座的绝对定向。针对这一亏秩问题,联合圆型限制性三体模型CRTBP(circle restricted three bodyproblem)下的一种平动点周期轨道-Halo轨道飞行器,与二体问题轨道卫星组成扩展星座。利用两种力模型的特性差异,可以去除星座系统上的相关性,避免星座的整体旋转,从而确定星座的全部轨道状态参量。分析Halo轨道的力模型及性态特点,从系数矩阵的相关性角度讨论引进Halo轨道对定轨法矩阵正定性的改善作用,利用地月系L1平动点附近的Halo轨道与月球低轨卫星(LMO)的星间链路,在理想CRTBP框架下进行自主定轨仿真。初步验证了LMO-Halo星座定轨可行性,为开展附加平动点轨道的星座SST定轨提供了参考依据。

近拱点映射在平动点轨道设计中的应用研究

基于在限制性三体问题轨道初步设计中能够提供潜在有效可行的低能轨道,针对平面圆型限制性三体问题,通过采用近拱点庞加莱映射,研究较小主天体P2附近的平动点轨道特性;利用近拱点演化结构对轨道类型进行了区分,获得具有特定设计特征的轨道。结合自由时间的多点打靶微分修正法进行了近似零消耗的同宿和异宿轨道连接;首次对顺行条件和逆行条件下的初始转移状态进行了研究,并分析了转移轨道和准周期轨道形成的理论机理。本文为特定任务轨道设计提供一种高效可行的方法。

一种面向限制性三体问题的轨道-姿态运动模态构建方法

针对平动点附近的具有强非线性和耦合性的轨道-姿态动力学机理分析,以及如何利用其动力学特性完成相关任务操作等问题,提出了基于Floquet理论的轨道-姿态运动模态构建方法,并探讨了所构建模态的典型应用。首先,在平动点轨道-姿态周期解的基础上,对轨道-姿态状态转移矩阵进行分块,根据分块矩阵特征值特点,建立了姿态模态和姿轨耦合模态,与轨道模态共同构成完整的轨道-姿态运动模态。然后,对模态特性进行了相空间分析。最后,以平动点相对轨道-姿态运动解析、平动点轨道-姿态稳定性控制和平动点轨道附近姿轨编队设计为应用案例,相应数值仿真表明了所提出模态的正确性,以及在典型航天任务设计与控制中的应用价值。

共线平动点附近周期轨道的分析研究方法

首先介绍了圆型限制性三体问题的非线性常微分运动方程组,利用定性分析方法、级数解法和数值解法,系统地介绍了这个问题的求解分析方法,相应地给出了共线平动点附近的力学特性、条件周期(和拟周期)轨道,并通过分析一个周期处的状态转移矩阵(Monodromy矩阵)分析了各类轨道的稳定性以及几种周期和拟周期轨道之间的关系。另外,还给出了圆型限制型三体模型下Halo轨道的牛顿迭代算法。