专利名称：一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法
技术领域：
本发明涉及一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，尤其涉及一种星际飞行探测器发射机会搜索和选择的方法，属于航空航天技术领域。
背景技术：
发射机会的搜索是星际探测任务设计与规划中的关键环节。在已发展的星际飞行探测器发射机会搜索的方法中，在先技术[I](参见Sergeyensky A. B.，Yin N.H.1nterplanetary Mission Design Handbook,Vol.1,Part1: Earthto Venus Ballistic Mission Opportunities 1991-2005.Jet PropulsionLaboratory, Pasadena, CA, Nov 1983，JPL D:82-43)提出 Pork-chop 图法，即通过给定预期的发射时间段和到达时间段，求解相应的Lambert问题，绘制出pork-chop图，然后根据pork-chop图猜测出较好的初值，釆用优化算法，搜索出最优的发射机会。该方法的缺点是计算量大，计算效率低，因为该方法的本质是一种穷举算法。在先技术[2](参见Vasile M. , Ceriotti M. Radice G. Global TrajectoryOptimization:Can we Prune the solution Space when considering deep spacemanoeuveres. ESA Report, Ariadna ID 06/4101，Con. Num. 20273/06/NL/HE)即将星际探测的发射机会搜索问题描述成以速度增量为搜索目标的函数，釆用遗传算法等全局性搜索的智能优化算法得到最优的发射机会。该方法的搜索效率尽管比POTk-ChOP图法有所提高，但每次仅能搜索得到所给区间唯一的结果，且无法辨别周期性，这使得在搜索时间跨度较大的发射机会时可能出现较大偏差。高效、快速的发射机会搜索方法是星际探测任务设计与规划中亟待解决的问题。采用Pork-chop图法虽可较为直观的得到给定时间段内发射机会的变化趋势，但本质属于穷举方法，计算量大，计算效率低。采用遗传算法等的智能优化算法虽可提高搜索效率，但由于寻优算法本身所限无法辨别发射机会的周期性，而可能出现较大偏差。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有搜索方法不能兼顾计算效率和精度的缺陷，提出一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，能实现高效、快速搜索发射机会。一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，是通过下述技术方案实现的首先由任意两个非共面非共轴椭圆轨道之间的最优两脉冲转移方法得到与目标天体之间全局最优两脉冲交会的等高线图；由等高线图得到全局最优两脉冲转移发射时地球的平近点角、交会时目标天体的平近点角及对应的飞行时间。由地球的星历得到地球的平近点角对应的发射时刻，通过飞行时间推算出与目标天体交会的时间。由目标天体的星历得到交会时目标天体的状态，将其转化成轨道根数，从而得到预定交会时间对应目标天体的平近点角，若此平近点角与最优的平近点角相匹配，则此发射机会为该区域最优的发射机会，否则重新调整最优地球发射平近点角对应的日期。
具体步骤为步骤一、确定目标天体与发射天体的最优两脉冲交会机会由任意两个非共面非共轴椭圆轨道之间的最优两脉冲转移方法，得到发射天体与目标天体之间全局最优两脉冲交会的等高线图；由等高线图对应找到最优两脉冲交会所需速度增量的极小值点取值范围，在该范围内任意选取一个值，作为发射与交会时发射天体与目标天体平近点角的初值，通过牛顿迭代法得到全局最优两脉冲转移发射时发射天体的最优发射平近点角、交会时目标天体的最优交会平近点角及由发射天体到目标天体的探测器飞行时间。步骤二、建立发射天体星历与发射时平近点角的对应关系根据任务给定的发射机会的时间区间，通过行星星历得到发射天体在该时间区间的位置和速度状态，并将其转化成轨道根数的形式，找到发射天体发射时间与平近点角的 对应关系，进一步找到步骤一所得最优发射平近点角对应的所有发射时间。步骤三、建立目标天体星历与交会时平近点角的对应关系由步骤二得到的发射天体的发射时间和飞行时间，求出探测器与目标天体的所有预定交会时间(发射时间+飞行时间)，由目标天体的星历得到每个预定交会时间对应的目标天体位置和速度状态，将其转化成轨道根数的形式，从而得到目标天体每一个预定交会时间对应的预定交会平近点角。步骤四、判别发射天体和目标天体是否满足最优交会的几何关系根据步骤三得到的预定交会平近点角与步骤一求得的最优交会平近点角，按照二者一致或差值小于ε ( ε根据任务时间及精度要求确定)的原则，选取该预定交会平近点角对应的发射时间、以及最优交会平近点角对应的交会时间作为给定发射机会时间区间内的最佳发射机会。有益效果本发明方法通过轨道根数来描述天体发射机会变化的几何关系，对比已有技术，能够实现对星际飞行最优发射机会的快速搜索、计算量小、效率高，同时可准确辨别发射机会的周期性等优点和效果。
图1为本发明的基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法流程图；图2为具体实施方式
中最优两脉冲转移轨道总的速度增量的等高线图。
具体实施例方式下面以从地球发射探测6489 Golevka小行星为例，并结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，其基本流程如图1所示，本实施例的具体步骤包括步骤一、确定目标天体与地球的最优两脉冲交会机会采用任意两个非共面非共轴椭圆轨道之间的最优两脉冲转移方法得到与目标天体之间全局最优两脉冲交会的等高线图。
任意两个非共面非共轴椭圆轨道之间的最优两脉冲转移方法描述为忽略离开地球停泊轨道所需的时间，地球停泊轨道的近地点为rpl和远地点为ral，则在近地点处以逃逸双曲线超速V001逃逸出地球的引力场进入太阳系所需速度的增量·.
权利要求
1.一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，其特征在于包括以下步骤 步骤一、采用等高线图确定目标天体与发射天体的最优两脉冲交会机会，包括转移发射时发射天体的最优发射平近点角、交会时目标天体的最优交会平近点角及由发射天体到目标天体的探测器飞行时间；步骤二、根据任务给定的发射机会的时间区间，通过行星星历得到发射天体在该时间区间的位置和速度状态，转化成轨道根数形式，找到发射天体发射时间与平近点角的对应关系，根据对应关系找到步骤一所得最优发射平近点角对应的所有发射时间；步骤三、由步骤二得到的发射天体的发射时间和飞行时间，求出探测器与目标天体的所有预定交会时间，由目标天体的星历得到每个预定交会时间对应的目标天体位置和速度状态，转化成轨道根数形式，得到目标天体每一个预定交会时间对应的预定交会平近点角；步骤四、判别发射天体和目标天体是否满足最优交会的几何关系根据步骤三得到的预定交会平近点角与步骤一求得的最优交会平近点角，按照二者一致或差值小于ε的原则，选取预定交会平近点角对应的发射时间、以及最优交会平近点角对应的交会时间作为给定发射机会时间区间内的最佳发射机会。
2.根据权利要求1所述的一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，其特征在于任意两个非共面非共轴椭圆轨道之间的最优两脉冲交会机会的具体实现方法为由发射天体与目标天体之间全局最优两脉冲交会的等高线图，对应找到最优两脉冲交会所需速度增量的极小值点取值范围；在取值范围内任意选取一个值，作为发射与交会时发射天体与目标天体平近点角的初值，采用牛顿迭代法得到全局最优两脉冲转移发射时发射天体的最优发射平近点角、交会时目标天体的最优交会平近点角及由发射天体到目标天体的探测器飞行时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，其特征在于预定交会时间为发射时间与飞行时间之和。
4.根据权利要求1所述的一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，其特征在于ε根据任务时间及精度要求确定。
全文摘要
本发明涉及一种基于轨道根数的星际飞行发射机会搜索方法，尤其涉及一种星际飞行探测器发射机会搜索和选择的方法,属于航空航天技术领域。首先确定目标天体与发射天体的最优两脉冲交会机会；建立发射天体星历与发射时平近点角的对应关系。由发射天体星历推算出发射天体与目标天体交会的时间。由目标天体的星历得到交会时目标天体的状态，将其转化成轨道根数，从而得到预定交会时间对应目标天体的平近点角，若此平近点角与最优的平近点角相匹配，则此发射机会为该区域最优的发射机会，否则重新调整最优发射平近点角对应的日期。本发明能够实现对星际飞行最优发射机会的快速搜索、计算量小、效率高，同时可准确辨别发射机会的周期性等优点和效果。
文档编号G06F17/30GK102999616SQ20121049919
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者乔栋, 崔平远, 尚海滨, 朱圣英, 徐瑞, 王亚敏 申请人:北京理工大学