发射椭圆轨道航天器与圆轨道多目标相交问题的研究

论文摘要

空间多目标接近可以便于很多任务的完成,如对卫星环上失效卫星的观测,对非合作方卫星的近距离侦察等。本文在二体条件下,对发射椭圆轨道航天器与圆轨道多目标相交问题展开研究,在一定的假设条件下分析了单航天器与两个圆轨目标接近的各种情况,针对不同情况进行了理论推导,得到了不同条件下椭圆轨道设计的基本关系式,为单航天器接近多目标轨道设计提供了理论基础。首先,介绍了本文研究问题所涉及到的时间系统和坐标系统中的相关概念和定义,以及相关时间系统和坐标系之间的转换。其次,本文对于椭圆接近轨道与目标圆轨道的交点上有目标存在的情况,分析了不同初始位置条件下,接近圆轨道上均匀分布的多个目标的各种接近可能,确定了接近多目标的接近轨道设计的解析方程组。并以地球静止轨道为目标轨道,对各种接近情况进行仿真计算,并对计算结果进行仿真验证和曲线拟合,得到设计接近轨道的简化公式。然后,讨论了接近航天器的发射和飞行过程,根据发射场位置和接近航天器与第一个目标接近的时刻确定发射窗口,将飞行过程分为停泊轨道相位调整段、轨道转移段和接近轨道运行段,分别讨论了各运行段所需时间以及轨道转移所需冲量,在仿真算例中计算了发射窗口并分析了轨道转移所需冲量与接近轨道根数之间的关系。最后,讨论了摄动因素对轨道接近的影响,分别分析了三体引力、地球非球形、大气阻力和太阳光压摄动,利用仿真软件计算了摄动因素影响下接近航天器与目标在接近时刻的位置差,并将位置差投影到RTN坐标系,结果表明摄动因素对轨道面法向的影响很小,对径向和切向方向影响较大,且对于接近时间较长的接近轨道,摄动因素的影响是必须考虑的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 圆轨道的应用
• 1.1.2 轨道接近的应用
• 1.1.3 军事需求分析
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究的意义、方法和内容
• 第二章 时间系统和坐标系统
• 2.1 时间系统
• 2.1.1 恒星时
• 2.1.2 平太阳时和世界时
• 2.1.3 儒略日
• 2.1.4 平时与恒星时之间的转换
• 2.2 坐标系统
• 2.2.1 地心惯性坐标系
• 2.2.2 地球固连坐标系
• 2.2.3 发射坐标系
• 2.2.4 RTN坐标系
• 2.2.5 第一轨道坐标系
• 2.2.6 RTN坐标系与地心惯性坐标系之间的转换
• 2.3 小结
• 第三章 接近多个地球圆轨目标轨道设计
• 3.1 问题描述
• 3.2 接近多目标轨道设计
• 3.2.1 初始时刻接近航天器位于接近轨道升段
• 3.2.2 初始时刻接近航天器位于接近轨道降段
• 3.3 仿真算例分析
• 3.3.1 接近两个圆轨目标的仿真算例
• 3.3.2 接近多个圆轨目标的仿真算例
• 3.4 小结
• 第四章 接近航天器发射和飞行过程分析
• 4.1 问题描述
• 4.2 考虑发射场位置确定发射窗口
• 4.2.1 升段入轨
• 4.2.2 降段入轨
• 4.3 接近航天器的飞行过程分析
• 4.3.1 停泊轨道相位调整过程
• 4.3.2 停泊轨道向接近轨道转移过程
• 4.3.3 接近轨道运行过程
• 4.4 仿真算例分析
• 4.5 小结
• 第五章 摄动因素对轨道接近的影响
• 5.1 轨道摄动分析
• 5.1.1 第三体引力摄动
• 5.1.2 地球非球形摄动
• 5.1.3 大气阻力摄动和太阳光压摄动
• 5.2 仿真算例分析
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果