一种载人小行星探测的目标星选取方法
【专利摘要】一种载人小行星探测的目标星选取方法，它有四大步骤：步骤一：确定目标星初选的约束条件；步骤二：利用步骤一确定的目标星初选的约束条件对小行星数据库进行筛选，得出初选目标；步骤三：初选星轨道设计及相关计算；包括任务轨道的设计、速度增量的计算、发射窗口的搜索以及任务周期的计算；步骤四：目标星优选，包含目标星优选模型及求解。本发明是一种严格的目标星初选流程和目标星优选数学模型，据此可以给出工程可实现性与探测价值兼备的目标星。
【专利说明】一种载人小行星探测的目标星选取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种载人小行星探测的目标星选取方法，基于此方法可筛选出工程可实现性与科学价值兼备的目标星，属于航空航天【技术领域】。
【背景技术】
[0002]小行星的载人探测有着十分重要而特殊的意义。由于航天员具有主观能动性，可以进行现场考察、科学仪器的布置、样本采集和样本初步辨识等探测活动，因此可以更好地完成小行星的探测任务。目标星的选取是载人小行星探测面临的首要问题和需解决的关键技术。已有的关于载人小行星探测目标星选取的方法多数只根据小行星的轨道参数进行筛选，忽略了小行星的物理特性，且筛选过程定性分析的成分较多，没有明确的通用的筛选条件。其他的一些筛选方法虽考虑小行星的探测价值，但也只是定性的分析且将小行星的可达性与探测价值同时考虑，使得筛选过程较为复杂。这在小行星数量非常庞大的情况下，无疑增加了筛选的难度。
【发明内容】
[0003]1、目的
[0004]本发明的目的是为了克服已有选取方法定性分析较多、筛选过程较为复杂且科学性较低的缺陷，提出一种载人小行星探测的目标星选取方法，它是一种严格的目标星初选流程和目标星优选数学模型，据此可以给出工程可实现性与探测价值兼备的目标星。
[0005]2、技术方案
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。
[0007]本发明一种载人小行星探测的目标星选取方法，主要包括以下几个步骤:
[0008]步骤一:确定目标星初选的约束条件
[0009]所述目标星初选的约束条件由小行星轨道参数、小行星的绝对星等以及小行星的自旋周期组成，各部分之间是并列关系。
[0010]该小行星轨道参数包含小行星轨道的半长轴a、偏心率e以及轨道倾角i。它由运载火箭的运载能力决定，是目标星初选考虑的首要因素。
[0011]该小行星绝对星等由小行星的尺寸大小决定，一般而言，小行星尺寸越大，其绝对星等越小，该条件可根据载人探测对小行星尺寸的要求确定。
[0012]该小行星自旋周期包含自旋周期下限和自旋周期上限两部分。两者是并列关系。该自旋周期下限可由小行星对其表面物体的离心力与万有引力相等的关系确定，该自旋周期上限可由小行星热模型的相关研究确定。
[0013]步骤二:初步筛选
[0014]利用步骤一确定的目标星初选的约束条件对小行星数据库进行筛选，得出初选目标。
[0015]步骤三:初选星轨道设计及相关计算
[0016]所述轨道设计及相关计算包括任务轨道的设计、速度增量的计算、发射窗口的搜索以及任务周期的计算，各部分之间有一定的耦合关系。
[0017]该任务轨道的设计为从地球停泊轨道出发，沿着以地球质心为焦点的双曲线逃逸地球引力影响球，之后沿着以太阳质心为焦点的椭圆到达小行星并与之交会，在小行星表面驻留若干天，之后再次沿着以太阳质心为焦点的椭圆到达地球引力影响球的边缘，整个任务轨道包含一个地心逃逸段和两个日心转移段。
[0018]该速度增量的计算需采用相应的轨道转移策略进行分析求解。
[0019]该发射窗口的搜索采用现有的寻优算法搜索得到，如基于梯度的算法、智能算法坐寸ο
[0020]该任务周期的计算在发射窗口和速度增量的计算过程中可以一并计算得出。
[0021]步骤四:目标星优选
[0022]所述目标星的优选包含目标星优选模型及求解。
[0023]该目标星优选模型包含优化变量和优化目标两部分，各部分之间是并列关系。
[0024]该优化变量包含探测所需的速度增量Λ V，任务周期AT，小行星的光谱类型，小行星的先期探测经验，小行星是否为对地威胁小行星，小行星的自旋周期是否已知。各部分之间是并列关系。
[0025]该优化目标为目标星的上述六个优化变量对应的得分之和最大，即小行星具备较小的速度增量和任务周期，同时具备较大的科学价值，工程可实现性和探测价值的综合得分最闻。
[0026]该求解即为利用上述目标星优选模型分析计算得出最佳探测目标。
[0027]3、优点及功效
[0028]本发明将载人小行星探测目标星的选取分为“初选”和“优选”两大过程，通过“初选”可以初步确定若干颗满足基本约束的目标，然后再对初选星进行优选，从而得出最佳探测目标。对比已有技术，本发明的主要优点是:具备严格的筛选流程和科学性较高的筛选模型，能够给出探测价值与工程可实现性兼备的目标星。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为目标星的初选流程图
[0030]图2为目标星的优选流程图
[0031]图3为本发明总的设计筛选流程图
[0032]图中符号说明如下:
[0033]a、小行星轨道的半长轴；e、小行星轨道的偏心率；1、小行星轨道的轨道倾角；
[0034]H、绝对星等的范围值；T、小行星的自旋周期。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图对本发明作进一步描述。
[0036]由图3可以看出，本发明提供一种载人小行星探测的目标星选取方法，它包括以下几个步骤:
[0037]步骤一:确定目标星初选的约束条件
[0038]所述目标星初选的约束条件由小行星轨道参数、小行星的绝对星等以及小行星的自旋周期组成，各部分之间是并列关系。
[0039]该小行星轨道参数包含小行星轨道的半长轴a、偏心率e以及轨道倾角i。它由运载火箭的运载能力决定，是目标星初选考虑的首要因素。在本实施例中amin〈a〈amax，eCminh, e2}, i〈3°。其中，amin, amax, e1; e2 的计算公式为
μ
Λ r
ey = I —-
[0040]α-(1)
“ =(2_Q,,-Vorr
Γμ
1 r
^=1--
CL
、mm
[0041]式中，μ为太阳引力常数，r为假设地球绕太阳公转的轨道为圆形时的半径，νΕ为探测器从地球停泊轨道出发逃逸到地球引力影响球边缘时地球在日心黄道惯性坐标系中的速度，C3是表征运载火箭的运载能力的量。
[0042]该小行星绝对星等间接表明了载人探测对小行星尺寸的要求，根据下式即可确定小行星绝对星等的范围:
[0043]H = m -51g^^(2)
[0044]式中，msm为太阳的视星等，A为小行星表面的反照率，R为小行星半径，d0为一个天文单位。(1AU = 1.496 X 108km)。
[0045]该小行星自旋周期包含自旋周期下限和自旋周期上限两部分。两者是并列关系。该自旋周期下限可利用小行星对其表面物体的离心力与万有引力相等的关系并考虑一定的安全系数确定，即
Γ n GMm.2π^
[0046]~— - /72(—Y R(3)
RzT
[0047]式中，G为万有引力常数，M为小行星的质量，m为小行星表面物体的质量，T为小行星的自旋周期。
[0048]该自旋周期上限可由小行星热模型的相关研究以及载人小行星探测任务的探测器温控系统对小行星表面环境的要求确定。
[0049]步骤二:初步筛选
[0050]如图1，利用步骤一确定的目标星初选的约束条件对小行星数据库进行筛选，得出初选目标。
[0051]步骤三:初选星轨道设计及相关计算
[0052]所述轨道设计及相关计算包括任务轨道的设计、速度增量的计算、发射窗口的搜索以及任务周期的计算，各部分之间有一定的耦合关系。
[0053]在本实施例中，该任务轨道的设计为:从高度为300km的地球停泊轨道出发，沿着以地球质心为焦点的双曲线逃逸地球引力影响球，之后沿着以太阳质心为焦点的椭圆到达小行星并与之交会。在小行星表面驻留若干天，之后再次沿着以太阳质心为焦点的椭圆到达地球引力影响球的边缘。整个任务轨道包含一个地心逃逸段和两个日心转移段。
[0054]该速度增量的计算需采用相应的轨道转移策略进行分析求解。在本实施例中，日心转移段采用Lambert轨道转移策略。所需的总的速度增量包含地球停泊轨道加速脉冲、与小行星交会时的变轨脉冲以及离开小行星进入日心转移轨道段的变轨脉冲。
[0055]该发射窗口的搜索采用现有的寻优算法搜索得到，如基于梯度的算法、智能算法等。在本实施例中，采用具有全局搜索能力的遗传算法搜索得到发射窗口。
[0056]该任务周期的计算在发射窗口和速度增量的计算过程中可以一并计算得出。
[0057]步骤四:目标星优选
[0058]所述目标星的优选包含目标星优选模型及求解。
[0059]该目标星优选模型包含优化变量和优化目标两部分，各部分之间是并列关系。
[0060]该优化变量为:
[0061 ] X — [Xi, X2) X3，X4，X5，Xe]⑷
[0062]式中，
[0063]X1一目标星探测所需总的速度增量，km/s, X1的值越小,该目标星探测价值越高；
[0064]x2—目标星探测任务周期，天，X2的值越小，该目标星的探测价值越高；
[0065]X3—目标星的光谱类型，优先选取C、S、X类的小行星进行探测；
[0066]X4—目标星的先期探测经验，优先探测有先期探测经验的小行星；
[0067]X5-目标星是否为PHAs，优先探测是PHAs的小行星；
[0068]X6—目标星自旋周期是否已知，优先探测自旋周期已知的小行星。
[0069]该优化目标为:
[0070]maxf (X) = C1 (X1)+C2 (X2)+C3 (X3)+C4 (X4)+C5 (X5)+C6 (X6)(5)
[0071]式中，Cj(Xj) (j = 1,2,3,4,5,6)为上述六个优化变量对应的自定义函数，它实际上代表了小行星在上述六个变量方面的“得分”，函数f(x)即为小行星的总得分。得分越高，小行星的探测优先级越高。
[0072]该求解即为根据上述目标星优选模型，结合图2，对每一颗初选目标，分别计算它的优化设计变量及对应函数的取值，最后相加得到目标函数f(x)的取值，f(x)的取值越大，该目标星的探测优先级就越高。这相当于采用一种“评分”的方式给每一颗初选目标星“打分”，“得分”最高的为最佳探测目标，“得分”越高，探测的优先级越高。
[0073]至此完成了载人小行星探测目标星的初选，整个流程如图3所示。
【权利要求】
1.一种载人小行星探测的目标星选取方法，其特征在于:它包括以下几个步骤: 步骤一:确定目标星初选的约束条件 所述目标星初选的约束条件由小行星轨道参数、小行星的绝对星等以及小行星的自旋周期组成，各部分之间是并列关系； 该小行星轨道参数包含小行星轨道的半长轴a、偏心率e以及轨道倾角i，它由运载火箭的运载能力决定，是目标星初选考虑的首要因素； 该小行星绝对星等由小行星的尺寸大小决定，小行星尺寸越大，其绝对星等越小，该条件根据载人探测对小行星尺寸的要求确定； 该小行星自旋周期包含自旋周期下限和自旋周期上限两部分，两者是并列关系；该自旋周期下限由小行星对其表面物体的离心力与万有引力相等的关系确定，该自旋周期上限由小行星热模型的相关研究确定； 步骤二:初步筛选 利用步骤一确定的目标星初选的约束条件对小行星数据库进行筛选，得出初选目标； 步骤三:初选星轨道设计及相关计算 所述轨道设计及相关计算包括任务轨道的设计、速度增量的计算、发射窗口的搜索以及任务周期的计算，各部分之间有一定的耦合关系； 该任务轨道的设计为从地球停泊轨道出发，沿着以地球质心为焦点的双曲线逃逸地球引力影响球，之后沿着以太阳质心为焦点的椭圆到达小行星并与之交会，在小行星表面驻留复数天，之后再次沿着以太阳质心为焦点的椭圆到达地球引力影响球的边缘，整个任务轨道包含一个地心逃逸段和两个日心转移段； 该速度增量的计算需采用相应的轨道转移策略进行分析求解； 该发射窗口的搜索采用现有的寻优算法搜索得到； 该任务周期的计算在发射窗口和速度增量的计算过程中一并计算得出； 步骤四:目标星优选 所述目标星的优选包含目标星优选模型及求解； 该目标星优选模型包含优化变量和优化目标两部分，各部分之间是并列关系； 该优化变量包含探测所需的速度增量△ V，任务周期ΛΤ，小行星的光谱类型，小行星的先期探测经验，小行星是否为对地威胁小行星，小行星的自旋周期是否已知，各部分之间是并列关系； 该优化目标为目标星的上述六个优化变量对应的得分之和最大，即小行星具备较小的速度增量和任务周期，同时具备较大的科学价值，工程可实现性和探测价值的综合得分最闻; 该求解即为利用上述目标星优选模型分析计算得出最佳探测目标。
【文档编号】B64G1/12GK104176273SQ201410336521
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】王晓慧, 赵建文, 李人杰 申请人:北京航空航天大学