[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

说明书

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，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。本发明的轨道设计方法能够很大程度的扩展航天器机动范围，实现二维、三维中的轨道拦截、交会对接等。

技术领域

本发明属于航天领域，为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。

背景技术

随着推进技术的发展以及空间任务日益的复杂化，基于连续小推力的机动轨道设计受到了人们越来越多的关注。针对连续推力作用下的空间任务轨道设计目前主要有两种方法：一种是基于特定推力的方法，即假设推力方案并由此推算推力作用下的轨道，解法包括解析和数值两种，解析解法只能针对径向力、切向力等特殊推力情况求解到，因此不具有普遍性，数值解法具有一定的普遍性，但是其计算量较大，耗时长；另一种是基于形状的轨道设计方法，即通过一系列参数表征出轨道的形状函数，或者用已知几何特征的曲线来近似轨道，进而求解实现设计轨道所需要的推力。基于形状的设计方法很大程度上减少了所需要设计的轨道参数，然而对于特定的轨道，假定轨道的形状无法满足实际任务中的轨道约束，另外在某些情况下，实现基于形状设计的轨道所需要的推力，远远超过了工程上可以提供的范围。

上述基于推力的方法和基于形状的方法存在的共同关键问题是，两种方法都假定了推力沿着一定的方向：基于力的方法所设计的轨道其推力是沿着轨道径向、切向等方向，基于形状的设计方法是假定推力的方向沿着速度的方向。如此假设很大程度上简化了轨道设计的难度，但是在另一方面也大大缩小了航天器机动的范围，使设计的轨道不具有普遍性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于人工合成引力势场的连续推力轨道设计方法，在很大程度上扩大航天器轨道机动的范围。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

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。

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：

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：