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地月空间NRHO两脉冲调相轨道优化与分析

李少峰 王有亮 于锡峥 李明涛

李少峰, 王有亮, 于锡峥, 李明涛. 地月空间NRHO两脉冲调相轨道优化与分析[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2026.01.2025-0013
引用本文: 李少峰, 王有亮, 于锡峥, 李明涛. 地月空间NRHO两脉冲调相轨道优化与分析[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2026.01.2025-0013
LI Shaofeng, WANG Youliang, YU Xizheng, LI Mingtao. Optimization and Analysis of NRHO Two-impulsive Phasing Trajectory in Cislunar Space (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2026, 46(1): 175-188 doi: 10.11728/cjss2026.01.2025-0013
Citation: LI Shaofeng, WANG Youliang, YU Xizheng, LI Mingtao. Optimization and Analysis of NRHO Two-impulsive Phasing Trajectory in Cislunar Space (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2026, 46(1): 175-188 doi: 10.11728/cjss2026.01.2025-0013

地月空间NRHO两脉冲调相轨道优化与分析

doi: 10.11728/cjss2026.01.2025-0013 cstr: 32142.14.cjss.2025-0013
基金项目: 中国科学院青年创新促进会项目资助 (2022146)
详细信息
    作者简介:
    • 李少峰 男, 1999年10月出生于山西省太原市, 现为中国科学院国家空间科学中心硕士研究生. 主要研究方向为航天器轨道动力学与控制. E-mail: 15536050332@163.com
    • 于锡峥 男, 硕士, 副研究员, 硕士研究生导师. 主要研究方向为航天器轨道动力学与控制. E-mail: yuxizheng@nssc.ac.cn
    • 李明涛 男, 博士, 研究员, 博士研究生导师. 主要研究方向为航天器轨道动力学与控制、小行星防御与利用. E-mail: limingtao@nssc.ac.cn
    通讯作者:
    • 王有亮 男, 1990年8月出生于河南省济源市, 现为中国科学院国家空间科学中心副研究员, 硕士研究生导师, 主要研究方向为航天器轨道动力学与控制、分布式空间系统动力学与控制等. E-mail: wangyouliang@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: V412.4+1

Optimization and Analysis of NRHO Two-impulsive Phasing Trajectory in Cislunar Space

  • 摘要: Artemis任务建造与运行月球轨道门户空间站期间, 将在近直线晕轨道(Near-Rectilinear Halo Orbit, NRHO)实施大量货运、载人飞行交会对接任务. 针对NRHO调相轨道优化问题, 基于圆型限制性三体问题模型, 通过信赖域算法对转移时间进行遍历, 采用非线性优化算法局部优化来修正位置误差, 进而迭代求解非线性方程组降低速度增量, 实现了低燃料消耗的NRHO调相优化; 针对调相代价问题, 对NRHO上不同转移时间和不同相位关系的调相进行了分析. 结果表明, 该算法计算效率较高, 相比遗传算法减少了53.2%的计算时间; 转移时间越长(转移轨道圈数越多), 消耗的速度增量越小; 目标航天器相位滞后时, 选择绕NRHO外圈的调相方式更省燃料, 反之, 相位超前则选择绕内圈更省燃料; 追踪航天器从近月点出发时燃料消耗更低.

     

  • 图  1  质心旋转坐标系

    Figure  1.  Centroid rotating coordinate system

    图  2  NRHO不同轨道族

    Figure  2.  Different orbital family of NRHO

    图  3  两航天器间相位关系

    Figure  3.  Phase relationship between two spacecraft

    图  4  NRHO转移轨道机动场景

    Figure  4.  Maneuver scenario of NRHO transfer trajectory

    图  5  调相轨道优化算法流程

    Figure  5.  Flow diagram of the phasing trajectory optimization algorithm

    图  6  速度增量随转移时间变化

    Figure  6.  Variation of velocity increment with transfer time

    图  7  不同转移时间对应的转移轨道 (红色▲为转移轨道终点)

    Figure  7.  Transfer orbits for different transfer time (Red triangle is the end of the transfer orbit)

    图  8  近月点出发不同相位下的速度增量变化

    Figure  8.  Variation of velocity increment at different phases of the perilune departure

    图  9  近月点出发不同相位下的转移时间变化

    Figure  9.  Variation of the transfer time at different phases of the perilune departure

    图  10  正相位差(a)和负相位差(b)的转移轨道(10~14 d)

    Figure  10.  Transfer orbits with positive and negative phase differences (10~14 d)

    图  11  正相位差(a)和负相位差(b)的转移轨道(0~10 d)

    Figure  11.  Transfer orbits with positive and negative phase differences (0~10 d)

    图  12  远月点出发不同相位下的速度增量变化

    Figure  12.  Variation of velocity increment at different phases of the apolune departure

    图  13  远月点出发不同相位下的转移时间变化

    Figure  13.  Variation of transfer time at different phases of the apolune departure

    图  14  不同相位的转移轨道变化

    Figure  14.  Variations of transfer orbits with different phases

    图  15  不同圈数下的调相轨道

    Figure  15.  Phase orbits under different revolutions

    图  16  总速度增量与相位关系

    Figure  16.  Total velocity increments at different phase

    表  1  遍历时间的轨道调相优化结果

    Table  1.   Phasing optimization results for traversal time


    目标
    相位/(º)
    遍历时间优化初值 迭代优化结果
    总计算时间/s
    转移时间/d 速度
    增量/(m·s–1)
    计算
    时间/s
    转移时间/d 速度
    增量/(m·s–1)
    计算
    时间/s
    –153.09 6.60 238.44 33.62 7.51 189.88 18.35 51.97
    –128.25 6.02 74.45 36.45 6.89 60.80 36.99 73.44
    –93.52 6.00 21.17 26.73 6.71 18.14 45.14 71.87
    –39.07 5.99 1.64 10.71 6.60 1.43 52.27 62.98
    27.46 5.93 9.52 18.22 6.60 8.28 57.79 76.01
    84.60 6.00 25.71 21.06 6.54 23.10 59.83 80.89
    121.99 6.03 65.16 28.22 6.40 61.22 62.50 90.71
    147.59 4.97 216.77 41.97 5.87 199.72 59.43 101.4
    下载: 导出CSV

    表  2  遗传算法的轨道调相优化结果

    Table  2.   Phasing optimization results of GA


    目标
    相位/(º)
    遗传算法优化初值 迭代优化结果
    总计算时间/s
    转移时间/d 速度
    增量/(m·s–1)
    计算
    时间/s
    转移时间/d 速度
    增量/(m·s–1)
    计算
    时间/s
    –153.09 6.87 221.15 173.07 7.51 189.88 31.26 204.33
    128.25 6.20 71.44 143.13 6.89 60.80 21.74 164.87
    –93.52 6.10 20.71 132.55 6.71 18.14 25.02 157.57
    –39.07 6.27 1.54 125.64 6.60 1.43 29.31 154.94
    27.46 2.43 21.38 121.75 3.37 15.40 4.54 126.29
    84.60 2.46 56.64 120.94 3.45 40.84 3.43 124.37
    121.99 5.45 72.29 123.05 6.40 61.19 21.69 144.74
    147.59 5.32 209.35 145.13 5.87 199.78 79.87 225.00
    下载: 导出CSV

    表  3  不同圈数下总速度增量ΔV的对比

    Table  3.   Comparison of total velocity increment ΔV with different revolutions

    相位差/(°) ΔV/(m·s–1) 最小ΔV对应
    转移模式
    0~1圈 1~2圈 3~4圈
    –180 409.32 194.00 161.00 绕外圈
    –153 187.75 77.20 48.06 绕外圈
    –128 60.11 25.82 14.37 绕外圈
    –93 17.90 9.53 7.24 绕外圈
    –38 1.32 1.07 0.37 绕外圈
    59 14.48 6.95 4.69 绕内圈
    106 37.43 15.41 9.28 绕内圈
    136 107.95 41.36 23.47 绕内圈
    159 383.55 121.31 84.52 绕内圈
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-01-13
  • 修回日期:  2025-04-01
  • 网络出版日期:  2025-04-02

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