月球探测器地月空间转移轨道研究

论文摘要

地月空间转移轨道设计是月球探测的关键技术之一,目前基于地月转移轨道的研究比较成熟,但对于从月球返回地球的月地转移轨道研究还不多见,由于其具有新的特点,值得做针对性的深入研究。另外对特殊的地月转移轨道问题提出新的解决思路、分析其内在规律也很有必要。开展这些研究可以对地月空间转移轨道设计问题的理论体系和研究方法进一步完善。本论文研究了月球探测器地月空间转移轨道的设计及其相关问题,重点研究了月球探测器返回轨道的相关问题。首先,分析了月地转移轨道的特性,并在此基础上对月球探测器返回轨道设计问题进行了较为系统地研究;接着,开展了返回轨道的测控分析,并给出了一个月地转移轨道中途修正算例;然后,针对大椭圆停泊轨道发射窗口的地月转移轨道运动学约束特性进行了分析,并提出了相应的转移轨道设计方法;最后,对于利用月球近旁转向技术发射地球高轨卫星问题,提出了新的解决问题的思路。文中首先分析了月球探测器返回地球的月地转移轨道特性,得出二体假设不再适用于月地转移轨道研究的结论,并在双二体假设下建立了探测器月地转移轨道的一套理论模型,在此基础上,通过分析得出一些定性的结论,例如具有工程应用价值的月地转移轨道的月心段必定为双曲线型;其出口点只能在月球影响球的东半球;出口点经度对月地转移轨道转移初速和近地点速度影响较大,当探测器出口点位于东经80°时最省能量等。在轨道特性分析的基础之上,在双二体模型假设下实现了月球探测器返回轨道的快速搜索设计。提出一种基于数学二分法思想的搜索算法,该方法是一种无需轨道积分的纯代数方法,可以大大缩短轨道搜索的时间,快速得到满足多个目标约束条件的解,初步设计的结果可以作为轨道精确设计的初值。对月球探测器返回轨道进行了精确设计。首先建立了月球探测器返回轨道的动力学方程;分析了各项摄动因素对月地转移轨道的影响,结果表明月球引力摄动与太阳引力摄动对月地转移轨道的影响比较大;通过引入合适的优化搜索算法——微分改正法,完成了对多搜索变量多目标函数的月地返回轨道精确搜索设计,其与前面给出的初步设计方法结合起来,构成月球探测器返回轨道设计完整方案;结合设计出的月地转移轨道给出了一个中途修正算例,通过算例分析得到了月地转移轨道初始入轨误差和修正时刻对中途修正速度增量的影响。对月球探测器返回轨道的跟踪测控任务范围和特点进行了分析,选取了理想的测控网布设方案,并结合月地返回轨道跟踪任务算例,分析了返回轨道跟踪测量元素的变化规律,以及测控网的跟踪测量覆盖率,结果表明可以满足工程需求。另外,还进行了月地返回轨道的USB（Unified S-Band）和VLBI（Very Long BaselineInterferometry）联合测轨精度分析。对大椭圆停泊轨道上的月球探测器发射窗口运动学约束特性进行了分析,并在此基础上提出了该类型地月转移轨道的设计方法。研究了大椭圆停泊轨道上探测器一个恒星月内在固定飞行时间条件下与月球交会的情况,结果表明对我国长三甲运载火箭而言在一个月内有两次发射机会,交会时月球的赤纬均为0°,我国在大椭圆停泊轨道发射窗口设计时可以利用这一特点获取探测器入轨时刻的初值;对于一个恒星月内的两次入轨机会来讲,经过调整转移初速后,可以找到一个或多个入轨点经纬度均严格满足要求的转移轨道;进一步证明了大椭圆停泊轨道入轨窗口是零窗口,地球自转一圈后才可能有再次入轨的机会;针对基于大椭圆停泊轨道的探测器发射窗口,总结了调整入轨速度后转移轨道一些关键参数的变化规律并得到相关结论。最后研究了利用月球近旁转向技术发射地球高轨卫星的轨道设计新方法。提出一种探测器地月空问转移轨道分层次搜索算法,该方法快捷有效,可为探测器轨道设计,特别是深空探测器轨道设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 月球探测概况
• 1.1.1 世界各国月球探测活动与计划
• 1.1.2 我国的嫦娥工程
• 1.2 国内外相关研究综述
• 1.2.1 月球探测器轨道特性分析
• 1.2.2 月球探测器轨道设计
• 1.2.3 月球探测器的测控与发射窗口
• 1.2.4 月球探测器的中途修正
• 1.2.5 月球近旁转向技术的利用
• 1.2.6 本文解决的问题和研究意义
• 1.3 本文的主要研究内容及章节安排
• 1.4 本文的创新点
• 第二章 月球探测器返回轨道特性分析及初步设计
• 2.1 时间与坐标系统
• 2.1.1 时间系统
• 2.1.2 坐标系统
• 2.2 二体假设下返回轨道的特性分析
• 2.2.1 仅考虑月球引力的二体假设情况
• 2.2.2 仅考虑地球引力的二体假设情况
• 2.3 双二体假设下返回轨道数学模型
• 2.3.1 独立轨道参数的选取
• 2.3.2 出口点月心速度方向的确定
• 2.3.3 出口点月心速度大小的确定
• 2.3.4 月地转移轨道月心段参数的确定
• 2.3.5 月地转移轨道地心段参数的确定
• 2.4 双二体假设下返回轨道的特性分析
• 2.4.1 出口点经纬度范围及相关参数特性
• 2.4.2 出口点经度影响
• 2.4.3 出口点纬度影响
• 2.5 双二体假设下月球探测器返回轨道初步设计
• 2.5.1 轨道设计约束条件
• 2.5.2 轨道设计搜索方法与流程
• 2.5.3 轨道设计算例与分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 月球探测器返回轨道精确设计
• 3.1 轨道动力学方程建立
• 3.1.1 绕月段动力学方程
• 3.1.2 月地转移段动力学方程
• 3.2 轨道摄动因素对返回轨道的影响
• 3.3 返回轨道精确设计参数和算法
• 3.3.1 返回轨道精确设计参数
• 3.3.2 返回轨道精确搜索算法
• 3.4 月地返回轨道精确设计算例
• 3.5 月球探测器返回轨道中途修正算例
• 3.5.1 入轨初始误差的影响
• 3.5.2 中途修正计算方法
• 3.5.3 月地转移轨道中途修正算例
• 3.6 本章小结
• 第四章 月球探测器返回轨道的测控分析
• 4.1 测控网跟踪返回探测器的范围及分析
• 4.1.1 返回轨道跟踪任务的纬度范围及影响
• 4.1.2 返回轨道跟踪任务的经度范围及影响
• 4.1.3 返回轨道跟踪任务分析
• 4.2 测控网的测量元素变化规律
• 4.2.1 环月轨道段
• 4.2.2 月地转移轨道段
• 4.3 测控网的布设
• 4.3.1 月地转移轨道段测控站布设
• 4.3.2 测量船布设
• 4.4 测控算例分析
• 4.4.1 测控站对月地转移轨道的跟踪任务分析
• 4.4.2 测量覆盖率分析
• 4.5 返回轨道的USB+VLBI联合测轨精度分析
• 4.5.1 测量数学模型
• 4.5.2 USB+VLBI测角精度分析
• 4.5.3 仿真算例分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 大椭圆停泊轨道上探测器发射窗口运动学约束分析及转移轨道设计
• 5.1 大椭圆停泊轨道地月转移轨道运动学约束分析
• 5.1.1 初始已知条件和参数选取
• 5.1.2 二体假设模型
• 5.1.3 计算步骤及流程
• 5.1.4 仿真算例及分析
• 5.2 固定飞行时间满足发射约束的可能性分析
• 5.2.1 第一次入轨机会
• 5.2.2 第二次入轨机会
• 5.3 适当调整入轨速度扩大入轨机会的可能性分析
• 5.3.1 计算步骤及流程
• 5.3.2 计算结果与分析
• 5.4 扩大日窗口的可行性分析
• 5.5 地月转移轨道设计方法
• 5.5.1 二体假设分析的有效性
• 5.5.2 地月转移轨道设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 利用月球近旁转向技术发射地球高轨卫星设计
• 6.1 B平面瞄准参数
• 6.2 月球近旁转向分层次搜索算法
• 6.2.1 地月空间轨道分层次搜索的思想
• 6.2.2 地月空间轨道分层次搜索的数学模型及流程
• 6.3 利用月球近旁转向算例
• 6.3.1 算例1:利用月球近旁转向发射地球静止卫星
• 6.3.2 算例2:利用月球近旁转向发射地球同步轨道高度逆向卫星
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 圆形停泊轨道入轨连续发射窗口算例
• 附录B 发射月球极轨卫星分层次搜索设计
• B.1 发射月球极轨卫星分层次搜索流程
• B.1.1 第一层搜索:使地月转移轨道瞄准月球
• B.1.2 第二层搜索:采用B平面瞄准,满足探测器与月球相遇条件
• B.1.3 第三层搜索:得到精确的极月卫星目标轨道
• B.2 发射月球极轨卫星算例
• B.2.1 第一层搜索结果
• B.2.2 第二层搜索结果
• B.2.3 第三层搜索结果