[发明专利]一种考虑始末约束的多体系统低能量捕获轨道方法

说明书

本发明公开的一种考虑始末约束的多体系统低能量捕获轨道方法，特别涉及一种考虑初始和终端状态约束的低能量捕获轨道方法，属于航空航天技术领域。本发明实现方法为：基于多体系统和弱稳定边界理论，利用太阳的引力作用辅助行星捕获，通过对到达天体的双曲线轨道倾角进行筛选并施加轨道修正，实现满足终端约束的捕获轨道设计，利用B平面参数实现精确的从地球出发的星际转移轨道和弱稳定边界轨道的匹配，探测器仅通过两次制动和一次轨道修正最终进入任务轨道。本发明具有所需速度增量小、适用范围广、方法易实现的优点。

技术领域

本发明涉及一种多体系统内探测器捕获轨道方法，特别涉及一种考虑初始和终端状态约束的低能量捕获轨道方法，属于航空航天技术领域，适用于探测器在深空探测中从地球出发被目标天体捕获进入任务轨道的轨道设计。

背景技术

对地外天体如行星，卫星和小行星的探测通常需要探测器从地球发射后经过星际航行到达目标天体附近，通过轨道机动被目标天体捕获，在目标天天的引力场范围内运动开展探测活动。因此捕获轨道设计至关重要，将决定探测器能否被目标天体顺利捕获进入任务轨道，决定了任务的成败。捕获轨道期望消耗尽可能少的能量实现捕获，为探测轨道节省燃料，实现更多的探测用途。

目前对于行星捕获的设计中在先技术【1】(参见Howard D.Curtis.OrbitalMechanics for Engineering Students[M].Butterworth-Heinemann,Boston,2005)给出采用近心点捕获的轨道设计方法，设计探测器相对目标行星的双曲线轨道的近心点与任务轨道相同，当探测器飞行至双曲线近心点时根据任务轨道参数通过脉冲制动实现轨道捕获进入任务轨道。该捕获轨道方法所需的时间很短，且操作简单，但所需的速度增量需求较大。

在先技术【2】(参见一种基于弱稳定边界的两脉冲行星捕获轨道方法，乔栋，李翔宇，崔平远，专利号：ZL201510599566.5，2017年4月5日)在提出采用弱稳定边界的行星捕获轨道方法，在太阳-行星质心旋转系下建立探测器运动方程，确定实现捕获的最优相角，通过两脉冲实现任务轨道捕获，该方法可以降低捕获速度增量需求，但由于探测器运动在质心旋转系下考虑，捕获轨道与惯性系下的星际转移轨道和任务轨道较难匹配，给实际应用带来困难，对于存在终端约束的任务轨道无法适用。

发明内容

本发明公开的一种考虑始末约束的多体系统低能量捕获轨道方法要解决的技术问题是，提供一种考虑始末约束的多体系统低能量的捕获轨道方法，在多体系统下利用太阳扰动力，实现探测器从地球出发经星际转移轨道进入考虑终端约束的任务轨道的捕获轨道，具有所需速度增量小、适用范围广、方法易实现。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种考虑始末约束的多体系统低能量捕获轨道方法，包括如下步骤：

步骤一：根据选择的目标天体和任务时间，在日心黄道系下进行星际转移发射窗口搜索，确定速度增量Δv最小的转移机会。

根据探测目标选择和任务时间约束，设计速度增量最优的地球至目标天体的两脉冲转移机会，探测器从地球的出发时间为T₀，在日心黄道系下对应的出发状态R₀,V₀由星历确定，探测器从地球到目标天体的转移时间为T，因此探测器到达目标天体的时刻为T_f＝T₀+T，同样利用星历得到对应的到达状态R_f,V_f，通过求解始末状态确定，转移时间确定的Lambert问题，得到出发所需的速度增量Δv₁和交会所需的速度增量Δv₂，其中：Δv₂即为探测器相对与目标天体的双曲超速V_∞＝Δv₂。根据任务约束对出发时间T₀和转移时间T进行遍历搜索，通过等高线图或优化算法得到速度增量Δv最小的转移机会。