Halo轨道编队飞行的摄动分析

论文摘要

经历了二十世纪八十年代短暂的低潮之后,国际航天界迎来了第二次深空探测热潮。利用天体系统中的拉格朗日点特性进行深空探测具有很好的应用前景,NASA和ESA已经利用拉格朗日点执行过多个空间计划,其中蕴含着丰富的动力学与控制问题。文章研究了圆型限制性三体系统中拉格朗日点的动力学特性,以及其附近周期轨道的计算方法。并从能量的角度分析地月系统圆型限制性三体问题中的可达域,及其在实际任务中的应用。在地月系统圆型限制性三体问题的基础上,考虑太阳的引力影响,先用应用Lindstedt-Poincare方法得到绕L2点轨道初值的近似解析解,再用微分修正法修正近似初值,得到绝对精度在10?1 4以上的初始状态。然后根据方程的对称性,分别沿时间的负向、正向积分,得到绕L2点的闭合轨道。以该闭合轨道为目标轨道,根据模型的动力学特点,设计变结构滑模小推力连续控制律。仿真结果表明,该控制律能很快消除飞行器入轨时位置、速度的偏差,使飞行器在目标轨道上稳定飞行。为了对比,还设计了利用瞬时脉冲控制进行轨道保持的方法,根据所设计的目标轨道,选取施加脉冲的合适时刻,计算脉冲的大小和方向。但是,用这种控制策略对四体问题中的航天器进行轨道保持,大天体的运动周期和计算上的精度有严格的要求,在现实中不容易实现。对比结果显示,无论是稳定性还是工程应用性,小推力连续控制比脉冲控制更适合于拉格朗日点附近的空间任务。在单星轨道控制的基础上,进一步研究了在拉格朗日点附近进行卫星编队的相关问题。参考单星任务的控制方法设计控制率,计算分析了圆形参考轨道编队的队形保持与重构。当从星绕主星飞行的周期与它们绕拉格朗日点飞行的周期相同时,两星的运动与不同Halo轨道上的相对运动类似。所以为了对比,又分析了不同轨道相对运动的特点,总结出不同轨道上卫星相对位置的变化规律。本文的结果可应用于对月球背面的定点观测或中继站。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 引论
• 1.2 课题背景和研究意义
• 1.2.1 绕拉格朗日点轨道简介
• 1.2.2 轨道控制
• 1.3 国内外研究状况
• 1.3.1 国际研究状况和进展
• 1.3.2 国内研究状况和进展
• 1.4 论文的主要工作和内容
• 第2章 圆型限制性三体问题
• 2.1 引论
• 2.2 圆型限制性三体模型
• 2.2.1 坐标系的建立
• 2.2.2 无量纲化
• 2.2.3 卫星的运动方程
• 2.3 拉格朗日点
• 2.3.1 特解
• 2.3.2 平动点的稳定性
• 2.3.3 能量壁垒
• 2.4 总结
• 第3章 绕拉格朗日点的轨道
• 3.1 引论
• 3.2 圆型限制性三体问题的周期解
• 3.2.1 Lyapunov 轨道
• 3.2.2 Lissajous 轨道和Halo 轨道
• 3.3 四体问题
• 3.3.1 四体模型的建立
• 3.3.2 绕拉格朗日点轨道的计算
• 3.4 总结
• 第4章 绕拉格朗日点轨道保持
• 4.1 引论
• 4.2 小推力连续控制
• 4.2.1 目标轨道
• 4.2.2 控制策略
• 4.3 脉冲控制
• 4.3.1 飞行轨迹切换
• 4.3.2 第四体的位置问题
• 4.4 总结
• 第5章 拉格朗日点附近的卫星编队
• 5.1 引论
• 5.2 编队的保持与重构
• 5.2.1 队形保持
• 5.2.2 队形重构
• 5.3 不同轨道上的相对运动
• 5.4 总结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果