[发明专利]一种考虑目标天体影响球的借力飞行仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间探测器借力飞行的仿真方法，特别是借力目标天体的 引力影响球大小与飞行距离之比较大，其影响球内飞行轨道不宜忽略时的天体 借力飞行仿真方法。

背景技术

随着人类对空间探测活动认识的逐渐加深，天体借力飞行技术得到了越来 越多的关注。在空间探测活动中天体借力飞行技术的意义主要有三：一是可以 节省探测器所带的燃料；二是可以缩短星际航行时间；三是可使探测器进入非 常特殊的轨道进行难得的探测活动。

在国外的文献C.Ocampo的“Trajectory Analysis for the Lunar Flyby Rescue of AsiaSat-3/HGS-1”一文中，Daniel Muhonen，Sylvia Davis等在 “Alternative Gravity-Assist Sequences for the ISEE-3 Escape Trajectory”一 文中，Rollin W.和Stanley Ross在“The Venus Swingby Mission Mode and its Role in the Manned Exploration of Mars”一文中，以及我国的高长生等在“黄 道面外宇宙探测器轨道设计”一文、马文臻等在“多天体交会借力飞行轨道设 计的图解法”一文、卢征仁等在“借月球引力节省火星探测器发射能量的方法” 一文中对空间探测器的天体借力飞行技术进行了的仿真与分析。虽然这些文献 都对借力目标天体近旁沿双曲线轨道运动的借力飞行实质进行了描述，但是， 在分析过程中对整个探测器的轨道进行了简化，忽略了借力目标天体的引力影 响球内的探测器轨道段，即将探测器的整个轨道视为借力飞行前轨道段和借力 飞行后轨道段两部分，而将借力目标天体引力影响球内的轨道段简化为拼接点。 这种分析方法在星际探测活动中影响不大，因为探测器在太阳系内飞行时，主 要受太阳引力影响，且借力天体的影响球半径与其到太阳的距离之比小于0.01。 然而，对于飞行在与地-月系统这种由两颗距离较近、质量相差不大的系统内的 探测器而言，若要借助小质量天体——月球的引力飞行，考虑到借力目标天体 的引力影响球半径(如，月球影响球半径为66200km)与探测器的飞行最大直 线距离(如，地月平均距离384400km)之比较大，探测器在借力目标天体的 影响球内飞行时间较长，对探测器的轨道产生的影响较大，这时忽略借力目标 天体影响球的影响会带来较大的误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对借力目标天体引力影响球大小与探测器飞 行距离之比较大时，忽略借力目标天体影响球内探测器的运动会带来较大分析 误差的不足，本方法将借力目标天体的影响球简化为球形，并将探测器在影响 球内的运动简化为沿双曲线轨道的二体运动进行分析，该双曲线轨道与飞出影 响球后探测器轨道采用圆锥曲线拼接法进行处理，完成对借力飞行前后的仿真 分析工作，使仿真分析更接近探测器在空间的真实运动情况。

本发明的技术解决方案是：一种考虑目标天体影响球的借力飞行仿真方法， 步骤如下：

(1)将借力目标天体影响球假设为球形，确定该影响球的半径r_influence及其 与借力目标天体与惯性中心之间的平均距离r_{target_center}之比ratio；当ratio＞0.01时， 考虑探测器在借力目标天体影响球内的运动，转步骤(2)，否则，忽略探测器 在借力目标天体影响球内的运动，将探测器在惯性空间中的借力飞行前后的轨 迹在拼接点处进行拼接仿真；

(2)根据具体的发射任务，确定探测器在飞向借力目标天体的转移轨道在 惯性坐标系下的初始位置及发射时间t₀；

(3)假设探测器在借力目标天体影响球内的轨道为双曲线轨道，根据指定 的飞越借力目标天体时的轨道高度h_p，利用双曲线轨道特性，求解出探测器进 入借力目标天体影响球时的惯性中心-借力目标天体中心连线与借力目标天体 中心-探测器位置矢量之间的夹角λ₁，进而求出此时探测器的惯性位置矢量大小 r₁；根据夹角λ₁和位置矢量大小r₁，求得此时的位置