[发明专利]载人月球探测任务轨道设计系统

说明书

本发明涉及一种载人月球探测任务轨道设计系统，包括登月窗口计算子系统、环月轨道部署子系统、无人绕月子系统、载人环月子系统以及载人登月子系统。各子系统由窗口计算模块、一般转移轨道计算模块、自由返回轨道设计模块、月地返回转移轨道设计模块以及三脉冲转移轨道设计模块等模块组合而成。本发明在不同任务设计时，本系统可以考虑任务之间的约束耦合；可以计算登月窗口，在不设计具体轨道的前提下给出可行的登月窗口；不需要提供设计初值，仅给出设计参数、约束参数以及遍历时间的范围，便于用户使用；将初值和高精度结果分别展示，在合理的初值基础上进行高精度计算，提高设计效率。

技术领域

本发明属于载人月球探测任务轨道设计技术领域，尤其涉及一种载人月球探测任务轨道设计系统。

背景技术

载人探月轨道设计是载人月球探测任务论证的重要内容，载人登月任务轨道设计方法中涉及到了载人飞行器和无人飞行器的地月转移任务，具体包括了一般转移轨道、自由返回轨道以及定点返回轨道。其中，一般转移轨道和自由返回轨道需要与发射任务进行轨道匹配，自由返回轨道和定点返回轨道需要异面变轨以分别实现全月面到达和任意时刻的定点返回。一般转移轨道、自由返回轨道以及定点返回轨道，可以采用圆锥曲线拼接法，将转移轨道分为地心二体轨道和月心二体轨道并通过拼接获得轨道初值，或者采用利用伪状态理论的多圆锥解析法，在全段过程中考虑地球、月球以及太阳引力，以较少的计算量获得较高的结果精度。

目前，仅有的载人登月任务为美国的“阿波罗”登月计划，于1969年7月首次实现载人登月，至1972年12月相继发射了7艘登月飞船，除Apollo-13外，其余均获得成功，共把12名航天员送上了月球，其所采用登月模式为一次发射任务直接登月，可以采用以上的方法进行任务轨道设计。然而，基于环月空间站的探月任务，还包括了多次发射任务，需要在环月轨道进行多次交会对接，各任务通过环月空间站的轨道参数发生了耦合。

从前人的研究中可以明显看出，轨道设计与任务轨道设计存在一定的差异，单次轨道设计已经不能满足复杂的任务轨道设计要求，需要一个有力的任务设计平台实现由多次序列任务组成的载人月球探测任务。总之未来载人月球探测任务将变得更为复杂，针对特定轨道、特定发射任务的轨道设计工具并不能满足全部工程需求。为此，有必要设计出可以灵活设置轨道参数、约束参数的任务轨道设计平台。

目前比较成熟的轨道设计分析仿真平台为STK(Satellite Tool Kit)，其内部的Astrogator插件可以通过不同模块的组合，设置不同的约束和迭代目标，来实现单次任务流程的设计。该插件并没有给出自由返回轨道、一般转移轨道、定点返回轨道的高效设计模块。用户需要在设计之初有一个较精确的初值解，才能利用STK上的Astrogator实现快速的迭代设计，该平台更适用于仿真验证。STK仅局限于单次任务设计，无法考虑多次任务之间的耦合约束，轨道设计过于通用，无法提高任务设计效率。对于特定的环月轨道交会的载人登月任务来说，任务模式比较固定，往往需要一个更为高效的设计平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种载人月球探测任务轨道设计系统，具有针对不同轨道的设计模块，不需要用户具备先验信息，在给定约束和设计指标后，可以实现从初步设计结果到最终设计结果的展示。另外，还可以考虑光照、月面停留时间和返回着陆场条件等其他设计因素，直接给出任务窗口，在不需要开展具体轨道设计的前提下就能够找到合适的登月时机。

本发明提供了一种载人月球探测任务轨道设计系统，包括登月窗口子系统、无人绕月子系统、环月轨道部署子系统、载人环月子系统以及载人登月子系统；

所述登月窗口子系统用于重新轨道部署及已有轨道部署；所述重新轨道部署包括根据光照约束、落点经纬度计算满足光照条件的登月窗口，供用户在计算结果列表中查看符合条件的登月窗口，通过部署轨道计算得到返回条件可行的窗口，供用户从计算结果中选择某个落月时刻的目标环月轨道，针对该环月轨道进行上升窗口计算；所述已有轨道部署包括根据已有的环月轨道计算轨道星下点信息，根据用户选择确定落月时刻，进行上升窗口计算；