深空探测飞行任务轨道设计

论文摘要

深空探测是当今世界最为尖端的科学工程，它展现了国家强大技术实力和对于未知世界的探索精神。然而在每一次深空探测的任务的前期阶段，任务的轨道设计都是关键和必不可少的。文本主要研究两种类型的轨道设计：地球—火星的直接转移轨道设计和利用引力甩摆的一次任务多颗行星探测轨道设计。由于探测器在太阳系中飞行，受到多个天体的引力，多体问题固有的非线性特性和探测器的长时间飞行而导致巨大的误差传播，使得设计星际直接转移轨道的过程比较困难。本文系统的给出了建立直接转移轨道的方法，将该问题转化为一个两点边值问题，通过求解Lambert问题而获得的porkchop图来选取发射窗口，通过圆锥曲线拼接法获得探测器在地球停泊轨道的逃逸位置和逃逸速度的初始估计值，利用末端环火轨道的轨道根数来求得末端B平面参数，B平面参数和地球附近的轨道参数有很好的线性性质。值得一提的是，本文还提出了B平面参数和传统的目标轨道根数的对应关系，给出了轨道设计多解存在性的条件和原因。并利用微分修正来求解该两点边值问题，其中敏感矩阵由数值差分获得。多次引力甩摆技术是一次任务探测多颗行星的有效方法。本文重点研究了两种类型的引力甩摆：有推力甩摆和无推力甩摆，建立了两种甩摆类型的数学模型，在指定甩摆天体次序的前提下，将多次甩摆轨道设计转化为非线性函数的全局优化问题。同时建立了两种引力甩摆技术相结合的轨迹优化模型，并通过在无推力甩摆之后的轨道中施加深空脉冲调节无推力甩摆之后的轨道性质，实现探测器与下一个天体甩摆的位置约束，并采用启发式算法—差分进化算法对该模型进行优化。针对上述两类轨道设计问题，我们利用VC++6.0开发了可视化软件“深空飞行任务规划工具（IMAT）”，本文详细给出了软件的界面环境，分别针对这两类轨道设计问题，介绍了软件的参数配置方法和求解器的使用方法，给出了软件的程序结构和算法流程，并分别进行了算例的仿真计算，验证了软件的可靠性和算法正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 深空探测的意义
• 1.2 深空探测的历程
• 1.2.1 火星探测的历程
• 1.2.2 利用引力甩摆的深空探测历程
• 1.3 深空探测任务设计研究
• 1.3.1 火星探测直接转移轨道设计的研究进展
• 1.3.2 利用引力甩摆的轨道设计的研究进展
• 1.4 论文主要工作及各章内容简介
• 第2章 火星探测直接转移轨道设计
• 2.1 本章引论
• 2.2 发射窗口的确定
• 2.3 圆锥曲线拼接法
• 2.3.1 近地轨道确定
• 2.3.2 目标 B 平面参数确定
• 2.3.3 B 平面参数和轨道根数的关系
• 2.3.4 由位置速度推导 B 平面参数
• 2.4 火星探测直接转移轨道的设计
• 2.4.1 火星探测直接转移轨道的数学模型
• 2.4.2 自适应切换的积分器设计
• 2.4.3 火星探测直接转移轨道的数值解法—微分修正
• 2.4.4 关于末端时间固定的微分修正方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 多次行星甩摆轨道设计
• 3.1 本章引论
• 3.2 引力甩摆的原理
• 3.2.1 无推力甩摆基本原理与模型
• 3.2.2 有推力甩摆基本原理与模型
• 3.3 多次引力甩摆轨道设计的数学模型
• 3.4 差分进化算法及其应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 深空探测轨道设计软件系统开发
• 4.1 本章引论
• 4.2 火星探测直接转移轨道设计模块介绍
• 4.2.1 任务分析与系统功能
• 4.2.2 地球—火星直接转移轨道设计模块构成
• 4.2.3 地球—火星直接转移轨道设计模块软件设置
• 4.2.4 地球—火星直接转移轨道设计算例仿真与验证
• 4.3 多次引力甩摆轨道设计模块介绍
• 4.3.1 任务分析与系统功能
• 4.3.2 多次引力甩摆轨道设计模块构成
• 4.3.3 多次引力甩摆轨道设计模块软件设置
• 4.3.4 多次引力甩摆轨道设计算例仿真与验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果