[发明专利]一种基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法及其应用

权利要求书

1.一种基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、根据任务所需，确定初始轨道参数和目标轨道参数，计算在地心赤道惯性坐标系下航天器飞行初始点以及终端点的位置和速度；

b、将作用在航天器上的控制力和航天器受到的地心引力进行合成，航天器仅在地心引力和控制力的作用下做虚拟圆锥曲线运动，构建虚拟引力场的参数模型；

c、采用优化算法求解虚拟引力场的参数，使在其中的机动轨道满足轨道边界条件约束；

d、根据虚拟引力场参数，求解实现机动轨道所需的推力加速度。

2.根据权利要求1所述基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法，其特征在于：假定人工合成引力势场的引力常数为μ₂，控制力加速度为a_r，航天器受到的地心引力加速度矢量为a_g，μ₂表示了控制力和地心引力形成的人工合成引力势场的位置和引力常数，则有：

由牛顿第二定律可知，在航天器无控制力且忽略摄动的情况下：

在航天器存在控制力且忽略摄动的情况下有：

在人工合成引力势场中有：

设则：

在地心赤道惯性坐标系下，航天器的实际位置和速度与人工合成引力势场坐标系下的位置和速度的转化关系为：

由上式可知：

3.根据权利要求1所述基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法，其特征在于，步骤a根据拦截任务确定轨道的初始速度位置矢量和终端点速度位置矢量的步骤如下：

假设在地心赤道惯性坐标系OXYZ下，A点为地心引力场的起始点，B点为地心引力场的中间点，若A点的速度为位置矢量为B点的位置矢量为在人工合成势场下，A点的速度为位置矢量为B点的位置矢量为其中，为在地心惯性坐标系OXYZ下的偏心率，为在人工合成势场惯性坐标系O′X′Y′Z′下的偏心率，f_a1为地心惯性坐标系下A点的真近点角，Δf为在人工合成引力势场惯性坐标系下拦截轨道A、B两点矢径的夹角。

4.根据权利要求1所述基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法，其特征在于，步骤c具体包括以下步骤：

在虚拟引力场中有：

在上式中，f_a2,f_b2分别为在虚拟引力场中A、B两点的真近点角，μ₂,分别为人工合成引力势场中的引力常数、初始轨道动量矩单位矢量、终端轨道动量矩单位矢量；将上式中的第一个式子展开，在给定初始条件下，该式存在有多个解，当给出拦截轨道的时间约束或者速度约束时，即能够得到人工合成引力势场中的拦截轨道。

5.根据权利要求4所述基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法，其特征在于，步骤c通过拦截轨道的时间约束或者速度约束获取拦截轨道的具体计算方法包括：

确定初始状态速度和位置向量：

确定终端速度向量和位置向量：

假定自变量范围，并取值：

迭代求解自变量范围使其满足约束：

(r_a1+r₀)×v_a2＝(r_b1+r₀)×v_b2。

6.根据权利要求1所述基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法，其特征在于，步骤d设计三维交会轨道时通过人工合成引力势场的引力常数μ₂以及人工合成引力势场的中心位置矢量求解下式得到实现人工合成引力势场的控制力加速度a_cn2,a_cθ2：

7.一种如权利要求1所述基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法在二维或者三维空间中进行轨道拦截或者交会对接上的应用。