一种探测器自由返回轨道的设计方法及相关装置制造方法及图纸

本申请实施例提供了一种探测器自由返回轨道的设计方法及相关装置，通过基于任务约束需求的目标参数对各轨道设计参数的初始值进行迭代处理，以确定探测器的P平面参数的迭代偏差。并基于该迭代偏差对轨道设计参数进行修正，以确定满足该目标参数的不同轨道构型的自由返回轨道。迭代过程中基于B平面参数公式，根据探测器的矢量参数确定P平面参数的第一参数值，并根据该矢量参数和目标参数确定P平面参数的第二参数值，进而根据第一参数值和第二参数值确定该迭代偏差。针对每次迭代处理，若迭代偏差大于预设阈值则基于微分修正法对初始值进行修正，并将修正后的各轨道设计参数作为下一次迭代的初始值，重复迭代过程，直至迭代偏差不大于预设阈值。偏差不大于预设阈值。偏差不大于预设阈值。

【技术实现步骤摘要】
一种探测器自由返回轨道的设计方法及相关装置


[0001]本专利技术涉及深空探测
，特别涉及一种探测器自由返回轨道的设计方法及相关装置。

技术介绍

[0002]随着科技的发展，深空探测是航天领域最前沿的科创任务之一。深空探测不仅可以增进人类对宇宙空间未知领域和生命起源的认知，还能够推动空间科技的发展，促进空间资源的开发和利用。月球是距离地球最近的天然行星，也是去往深空的理想中转站。作为载人登月任务关键技术之一的载人登月轨道设计，一直是该领域的研究热点。与无人探测不同，载人登月轨道必须要保证航天员的安全，需要具备任务各个时期发生故障时航天员能安全返回地面的能力。自由返回轨道是由近地出发飞往月球，经月球借力减速后无动力返回地球的轨道，具有很高的安全性。
[0003]相关技术中，自由返回轨道共存在16种轨道构型。传统的轨道设计方案针对其中一种或几种构型，在简化模型下进行初步设计，然后在高精度模型进行修正设计。这种设计方式需要对轨道设计参数进行层层修正，计算效率较低且不具有普适性。并且上述设计方式存在对工程实施的任务约束考虑不全的问题，存在一定的局限性。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供一种探测器自由返回轨道的设计方法及相关装置，通过基于任务约束需求的目标参数确定探测器的P平面参数的迭代偏差，并基于该迭代偏差对轨道设计参数进行修正，以确定满足目标参数的多种轨道构型的自由返回轨道。
[0005]第一方面，本申请实施例提供了一种探测器自由返回轨道的设计方法，所述方法包括：
[0006]基于目标参数对各轨道设计参数的初始值进行迭代处理，以根据每次迭代得到的迭代偏差对各轨道设计参数进行修正，并根据修正后满足工程需求的各轨道参数构建自由返回轨道；其中，所述轨道设计参数至少包括所述探测器在预设惯性系z轴的位置分量z0以及在所述预设惯性系x、y、z轴上的速度分量v
x
、v
y
、v
z
，所述预设惯性系为预先构建的白道面内对称自由返回轨道近月点时刻的月心瞬时白道坐标系；所述目标参数至少包括第一目标参数或第二目标参数；所述第一目标参数包括入轨点轨道倾角i和目标近心距r
p
，所述第二目标参数包括再入角γ和再入点地心距r
e
；
[0007]所述迭代处理过程如下：
[0008]首次迭代时，基于所述预先构建的白道面内对称自由返回轨道确定所述初始值，并采用动力学积分确定所述初始值对应的矢量参数；其中，所述矢量参数至少包括所述探测器在近地点处的速度矢量v和位置矢量r或所述探测器在再入点处的速度矢量v和位置矢量r；
[0009]基于B平面参数公式，根据所述矢量参数确定所述探测器的P平面参数的第一参数
值，并根据所述目标参数和所述矢量参数确定所述P平面参数的第二参数值；其中，若待确定轨道为双曲线轨道则所述P平面为过参考天体中心且垂直于轨道渐近线的平面，若为椭圆轨道或抛物线轨道则所述P平面为过参考天体中心，且垂直于近心点矢量的平面；
[0010]根据所述第一参数值和所述第二参数值确定本次迭代的迭代偏差；
[0011]针对每次迭代处理，若所述迭代偏差大于预设阈值则基于微分修正法对所述初始值进行修正以得到各轨道设计参数的修正值，并将所述修正值作为各轨道设计参数在下一次迭代时的初始值，重复所述迭代过程，直至所述迭代偏差不大于预设阈值。
[0012]本申请实施例通过基于任务约束需求的目标参数对各轨道设计参数的初始值进行迭代处理，以根据每次迭代得到的迭代偏差对各轨道设计参数进行修正，并根据修正后满足工程需求的各轨道参数构建自由返回轨道。相比于传统的B平面参数，P平面参数可适用更多的轨道构型。上述迭代过程中需基于B平面参数公式，通过探测器的矢量参数确定探测器的P平面参数的第一参数值。并根据该目标参数和矢量参数确定P平面参数的第二参数值。进而根据第一参数值和第二参数值确定本次迭代的迭代偏差。针对每次迭代处理，若迭代偏差大于预设阈值则基于微分修正法对初始值进行修正以得到各轨道设计参数的修正值，并将修正值作为各轨道设计参数在下一次迭代时的初始值，重复迭代过程，直至迭代偏差不大于预设阈值。
[0013]上述流程基于任务约束需求的目标参数，确定探测器的P平面参数的迭代偏差，并基于该迭代偏差对轨道设计参数进行修正，以确定满足目标参数的多种轨道构型的自由返回轨道。
[0014]在一些可能实施例中，所述白道面内对称自由返回轨道是以所述探测器的近月点为起始点构建的；所述起始点位于所述预设惯性系的x轴，所述预设惯性系与所述白道面内对称自由返回轨道近月点时刻的月心瞬时白道坐标系平行；所述白道面内对称自由返回轨道的地月转移轨道和月地返回轨道对称于所述x轴两侧；
[0015]所述首次迭代时，基于所述预先构建的白道面内对称自由返回轨道确定所述各轨道设计参数的初始值，包括：
[0016]根据所述白道面内对称自由返回轨道的轨道结构确定z0、v
x
和v
z
的初始值；所述z0、v
x
和v
z
在所述白道面内对称自由返回轨道模型中的值为0；
[0017]基于预设速度间隔对所述探测器在所述白道面内对称自由返回轨道中的待处理参数进行多次采集操作；其中，所述待处理参数至少包括所述探测器在每次采集时在所述x轴的位置分量x0以及在所述y轴的速度分量v0；
[0018]每次采集后，基于所述待处理参数确定本轮次采集操作对应的近心距r
pe
，并根据每次采集操作对应的r
pe
确定所述v
y
的初始值。
[0019]本申请实施例的白道面内对称自由返回轨道是以探测器的近月点为起始点构建的；起始点位于预设惯性系的x轴，预设惯性系与白道面内对称自由返回轨道近月点时刻的月心瞬时白道坐标系平行；白道面内对称自由返回轨道的地月转移轨道和月地返回轨道对称于x轴两侧。采用上述构建方式得到的白道面内对称自由返回轨道中，z0、v
x
和v
z
的值始终为0。因而在确定首次迭代过程中各轨道设计参数的初始值时，可根据该白道面内对称自由返回轨道的轨道结构确定z0、v
x
和v
z
的初始值。确定v
y
初始值时，需基于预设速度间隔对探测器在白道面内对称自由返回轨道中的待处理参数进行多次采集操作；在每次采集后，基
于待处理参数确定本轮次采集操作对应的近心距r
pe
，并根据每次采集操作对应的r
pe
确定v
y
的初始值。
[0020]在一些可能实施例中，所述基于所述待处理参数确定本轮次采集操作对应的近心距r
pe
，包括：
[0021]根据所述x0和所述v0确定半长轴a、偏心率e以及轨道半通径p，并根据所述a、所述e和所述p确定月球影响球边界点的真近点角θ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探测器自由返回轨道的设计方法，其特征在于，所述方法包括：基于目标参数对各轨道设计参数的初始值进行迭代处理，以根据每次迭代得到的迭代偏差对各轨道设计参数进行修正，并根据修正后满足工程需求的各轨道参数构建自由返回轨道；其中，所述轨道设计参数至少包括所述探测器在预设惯性系z轴的位置分量z0以及在所述预设惯性系x、y、z轴上的速度分量v
x
、v
y
、v
z
，所述预设惯性系为预先构建的白道面内对称自由返回轨道近月点时刻的月心瞬时白道坐标系；所述目标参数至少包括第一目标参数或第二目标参数；所述第一目标参数包括入轨点轨道倾角i和目标近心距r
p
，所述第二目标参数包括再入角γ和再入点地心距r
e
；所述迭代处理过程如下：首次迭代时，基于所述预先构建的白道面内对称自由返回轨道确定所述初始值，并采用动力学积分确定所述初始值对应的矢量参数；其中，所述矢量参数至少包括所述探测器在近地点处的速度矢量v和位置矢量r或所述探测器在再入点处的速度矢量v和位置矢量r；基于B平面参数公式，根据所述矢量参数确定所述探测器的P平面参数的第一参数值，并根据所述目标参数和所述矢量参数确定所述P平面参数的第二参数值；其中，若待确定轨道为双曲线轨道则所述P平面为过参考天体中心且垂直于轨道渐近线的平面，若为椭圆轨道或抛物线轨道则所述P平面为过参考天体中心，且垂直于近心点矢量的平面；根据所述第一参数值和所述第二参数值确定本次迭代的迭代偏差；针对每次迭代处理，若所述迭代偏差大于预设阈值则基于微分修正法对所述初始值进行修正以得到各轨道设计参数的修正值，并将所述修正值作为各轨道设计参数在下一次迭代时的初始值，重复所述迭代过程，直至所述迭代偏差不大于预设阈值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述白道面内对称自由返回轨道是以所述探测器的近月点为起始点构建的；所述起始点位于所述预设惯性系的x轴，所述预设惯性系与所述白道面内对称自由返回轨道近月点时刻的月心瞬时白道坐标系平行；所述白道面内对称自由返回轨道的地月转移轨道和月地返回轨道对称于所述x轴两侧；所述首次迭代时，基于所述预先构建的白道面内对称自由返回轨道确定所述各轨道设计参数的初始值，包括：根据所述白道面内对称自由返回轨道的轨道结构确定z0、v
x
和v
z
的初始值；所述z0、v
x
和v
z
在所述白道面内对称自由返回轨道模型中的值为0；基于预设速度间隔对所述探测器在所述白道面内对称自由返回轨道中的待处理参数进行多次采集操作；其中，所述待处理参数至少包括所述探测器在每次采集时在所述x轴的位置分量x0以及在所述y轴的速度分量v0；每次采集后，基于所述待处理参数确定本轮次采集操作对应的近心距r
pe
，并根据每次采集操作对应的r
pe
确定所述v
y
的初始值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述待处理参数确定本轮次采集操作对应的近心距r
pe
，包括：根据所述x0和所述v0确定半长轴a、偏心率e以及轨道半通径p，并根据所述a、所述e和所述p确定月球影响球边界点的真近点角θ；根据所述θ确定所述探测器在所述月球影响球边界的径向速度分量v
r
、垂直径向速度分量v
u
以及飞行时间Δt，并根据所述v
r
、所述v
u
和所述Δt确定月球在所述预...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，曹鹏飞，刘磊，张尧，陈莉丹，梁伟光，
申请(专利权)人：北京航天飞行控制中心，
类型：发明
国别省市：