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基于DRO的小行星往返飞越探测轨道设计优化方法

董博文 于锡峥 李明涛 王楷铎 王有亮

董博文, 于锡峥, 李明涛, 王楷铎, 王有亮. 基于DRO的小行星往返飞越探测轨道设计优化方法[J]. 空间科学学报, 2023, 43(5): 864-874. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0011
引用本文: 董博文, 于锡峥, 李明涛, 王楷铎, 王有亮. 基于DRO的小行星往返飞越探测轨道设计优化方法[J]. 空间科学学报, 2023, 43(5): 864-874. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0011
DONG Bowen, YU Xizheng, LI Mingtao, WANG Kaiduo, WANG Youliang. Orbit Design Optimization Method for an Asteroid Flyby Mission from DRO (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(5): 864-874 doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0011
Citation: DONG Bowen, YU Xizheng, LI Mingtao, WANG Kaiduo, WANG Youliang. Orbit Design Optimization Method for an Asteroid Flyby Mission from DRO (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(5): 864-874 doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0011

基于DRO的小行星往返飞越探测轨道设计优化方法

doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0011 cstr: 32142.14.cjss2023.05.2023-0011
基金项目: 国防科工局空间碎片与小行星专项(KJSP2020020101)和北京市重大科技专项资助项目(Z181100002918004)共同资助
详细信息
    作者简介:
    通讯作者:
  • 中图分类号: V142

Orbit Design Optimization Method for an Asteroid Flyby Mission from DRO

  • 摘要: 远距离逆行轨道(Distant Retrograde Orbits,DRO)是地月系统内一类稳定的周期性轨道,本文研究航天器从DRO轨道站出发,通过月球和地球引力辅助实现飞越探测近地小行星的往返转移轨道设计方法。通过地月引力辅助作用和中途杠杆机动等技术手段减少调整倾角所需的速度增量,扩大在相同速度增量约束下飞越探测小行星的可达范围。同时,通过引入DRO调相轨道,减少DRO逃逸和俘获时的相位约束,将转移轨道段与DRO轨道站的相位解耦,从而降低了该问题的计算复杂度。仿真结果表明,在2 km·s–1的速度增量等约束条件下,通过此研究方法可以实现从DRO轨道站出发飞越探测近地小行星并返回的轨道设计。

     

  • 图  1  地球-月球-太阳-航天器四体模型

    Figure  1.  Earth-Moon-Sun-spacecraft four-body model

    图  2  远距离逆行轨道 (a)地球惯性系 (b) 地月旋转坐标系

    Figure  2.  DRO track diagram. (a) Earth’s inertial system, (b) Earth-Moon rotating coordinate system

    图  3  飞越小行星时黄道面与各天体的关系

    Figure  3.  Relationship between ecliptic plane and celestial bodies during asteroid flyby

    图  4  DRO直接转移轨道整体设计(I表示DRO直接往返的小行星飞越探测轨道)

    Figure  4.  DRO direct transfer orbit overall diagram (I expresses DRO direct return asteroid flyby orbit)

    图  5  借力转移轨道整体设计(I:地球往返的小行星飞越探测轨道。II:地球与DRO间转移轨道。III:DRO调相轨道)

    Figure  5.  Overall schematic diagram of transfer orbit by force (I: asteroid flyby detection orbit of Earth round trip. II: Earth DRO transfer orbit. III: DRO phase orbit)

    图  6  地球往返的小行星飞越探测轨道(ECI,左侧点为小行星位置,右侧点为地球位置)

    Figure  6.  Earth round-trip asteroid flyby orbit(ECI. The left point is the location of the asteroid and the right point is the location of the Earth)

    图  7  遍历与黄金分割方法结合的轨道初值搜索方法DRO往返地球轨道设计流程

    Figure  7.  Ergodic search method combined with the Golden section method schematic diagram of the DRO_Earth round trip orbit design flow

    图  8  调相轨道设计算法流程

    Figure  8.  Phase modulation orbit design algorithm

    图  9  调相轨道示例

    Figure  9.  Sample phase modulation orbit diagram

    图  10  DRO直接往返的小行星飞越探测轨道(ECI)

    Figure  10.  DRO direct round trip asteroid flyby detection orbit(ECI)

    图  11  出发时地球与DRO间转移轨道

    Figure  11.  Earth DRO transfer orbit at departure

    图  12  返回时地球与DRO间转移轨道

    Figure  12.  Earth DRO transfer orbit upon return

    图  13  出发时DRO调相轨道

    Figure  13.  DRO phase orbit at departure

    图  14  返回时DRO调相轨道

    Figure  14.  DRO phase orbit upon return

    表  2  常数取值与约束条件

    Table  2.   Constant values and constraints

    名称参数
    地球引力常数/(km3·s–2398600
    太阳引力常数/(km3·s–2132712440018
    月球引力常数/(km3·s–24902.8
    地球半径/km6378
    月球半径/km1738
    初始时刻MJD 60676
    最大地球距离/km$ 2\times {10}^{7} $
    最小近地点高度/km200
    最小近月点高度/km50
    两机动间最小间隔时间/d1
    最大总速度增量/(km·s–12
    最大总飞行时间/a4
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    表  1  虚拟目标小行星轨道参数

    Table  1.   Target asteroid orbit parameters

    参数名称初始历元(MJD)半长轴(AU)偏心率倾角/(°)升交点赤经/(°)近地点幅角/(°)真近地点角/(°)
    数值596001.1290.3662.68163.67188.14182.30
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    表  3  飞越探测轨道近地点参数

    Table  3.   Perigee parameters of flyby detection orbit

    参数名称近地点出发参数返回近地点参数
    初始历元(MJD)63882.9964243.01
    ECI x/km–3278.433251.21
    ECI y/km–4306.811011.57
    ECI z/km3739.86–5628.97
    ECI vx/(km·s–10.9711.070
    ECI vy/(km·s–1–7.68810.790
    ECI vz/(km·s–1–8.0022.557
    白道面倾角/(o59.9959.88
    C3 /(km2·s–22.90682.9238
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    表  4  地球与DRO间转移轨道各项参数

    Table  4.   Perigee parameters of flyby detection orbit

    参数名称近地点机
    动量
    /(km·s–1
    中途机
    动量
    /(km·s–1
    中途机
    动与近地
    点间时长
    / d
    近月点机
    动量
    /(km·s–1
    总速度
    增量
    /(km·s–1
    DRO出发轨道0.1690.20610.6930.3130.688
    返回DRO轨道0.1660.23415.7010.2710.671
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    表  5  DRO调相轨道各项参数

    Table  5.   Elements of DRO phasing orbit

    参数名称调相起始
    点机动量
    /(km·s–1
    调相滑行
    时间/d
    DRO轨道站
    会和机动
    /(km·s–1
    总速度增量
    /(km·s–1
    DRO出发调相轨道0.13243.5420.0960.228
    返回DRO轨道0.15947.9670.1420.301
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-20
  • 修回日期:  2023-04-18
  • 网络出版日期:  2023-07-26

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