[发明专利]太阳系边际探测电推进转移轨道设计方法及系统

说明书

本发明提供了一种太阳系边际探测电推进转移轨道设计方法及系统，涉及航天器轨道设计与优化技术领域，该方法包括：步骤S1：建立深空电推进‑借力转移轨道设计模型，并设定飞行序列；步骤S2：根据设定的飞行序列，设定探测器从地球以接近1:2共振比出发，获得发射参数、行星借力参数、转移时间以及燃料消耗在内的相关参数；步骤S3：设定发射C3、借力高度在内的相关约束条件，根据Sims‑Flanagan模型和借力轨道模型，利用SQP算法进行初步优化；步骤S4：根据初步优化结果，依据间接法进行再优化，获取高精度解。本发明实现轨道精度、计算量及设计效率之间的权衡，快速有效地完成转移轨道初始解得优化设计，有效减少迭代次数、降低计算量，并确保数值迭代的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及航天器轨道设计与优化技术领域，具体地，涉及一种太阳系边际探测电推进转移轨道设计方法及系统。

背景技术

自上个世纪以来，人类深空探测逐渐向远程星际空间拓展，探测目标涵盖了从近地到太阳系边际范围内主要的天体。总的来说，人类对太阳系边际及以外的探测仍较为有限，目前仅有旅行者号、新视野号等少数探测器抵达该空间区域。对太阳系边际的探测，甚至外层空间进行探测是未来航天技术发展的必然选择。这类探测任务不断趋于复杂化，对轨道设计不仅提出了快速转移的迫切需求，而且带来了发射能量大、探测器燃料代价高等难题。SQP(sequence quadratic program)是运筹学定义的缩写。序列二次规划(SQP)算法是求解中小规划约束最优化问题的一类有效算法。

与其它深空探测任务相比，太阳系边际探测任务属于超远程转移，不仅面临发射能量大、探测器燃料代价高等技术难题，而且迫切需要解决快速转移的任务时间要求，以确保探测器在合理的时间内飞抵85AU甚至更远的目标区域。

目前，人们对太阳系边际探测任务设计进行了一些研究，经检索，与转移轨道设计相关的主要有：

文献《太阳系边际探测研究》(中国科学:信息科学，2019年第01期：1-16)基于太阳系边际探测的发展趋势，阐释了太阳系边际探测的4类科学目标，提出了我国太阳系边际探测的总体目标、阶段目标及近期探测任务设想，给出了应重点研究和突破的6类关键技术，为我国太阳系边际探测的论证与实施提供参考。该文献主要涉及转移轨道设计与优化技术。

公开号为CN106986049A的发明专利，公开了一种深空借力轨道精确并行优化设计方法，旨在提高借力序列搜索和参数优化的速度，减少获取初步解的时间，确保最终解的精度。该专利关注的化学推进-借力转移轨道通用设计方法，其轨道模型与电推进-借力转移轨道存在很大的差异，其相关设计方法无法借用。

公开号为CN103020338A的发明专利，公开了一种小推力借力轨道解空间剪切方法，为解决现有技术中结合小推力与行星借力转移轨道解空间复杂、极值点繁多的问题,提出了一种小推力借力轨道解空间剪切方法，能够求解得到结合小推力与行星借力转移轨道的有效解空间。该专利采用逆六次多项式逼近小推力轨道，无法模拟推力大小随着整星功率衰减过程，因而无法适用太阳系边际探测任务。

综上所述，人们对太阳系边际探测电推进转移轨道研究的关注程度仍不够，相关的研究成果也较为欠缺，这与其重要的科学价值不匹配，为此应进一步深入太阳系边际探测转移轨道，为其任务设计提供有效的轨道设计方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种太阳系边际探测电推进转移轨道设计方法及系统。

根据本发明提供的一种太阳系边际探测电推进转移轨道设计方法及系统，所述方案如下：

第一方面，提供了一种太阳系边际探测电推进转移轨道设计方法，所述方法包括：

步骤S1：建立深空电推进-借力转移轨道设计模型，包括行星借力轨道模型和电推进轨道模型，并设定飞行序列；