一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法与流程

本发明涉及一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法，尤其适用于从日地平衡点轨道出发、满足多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法，属于航空航天技术领域。

背景技术：

自20世纪后期，美国国家航空航天局(nasa)galileo号探测器首次开展小行星探测活动以来，小行星探测成为深空探测的热点。而小行星探测的目标选择是开展小行星探测的难点，如何更加快捷方便并且准确有效地找到符合探测任务要求的小行星目标从一定程度上决定了任务的可实现性及任务的价值。

在已发展的关于航天器探测小行星的目标选择方法中在先技术[1](参见：焦维新，钟俊.近地小行星探测目标选择[j].地球物理学报，2016，59(11)：3955-3959)给出基于小行星交会所需能量大小、小行星半径大小、小行星自旋周期、小行星可能撞击地球的概率等方面的目标小行星选择方法。这种方法需要对所有近地小行星进行速度增量计算，目标选择耗时多，没有考虑实际任务中测控和任务时间等约束情况，且仅适用于从地球出发的小行星探测任务。此外，这种方法需要进行大量从近地轨道到小行星的转移速度增量计算，效率低，速度慢。

技术实现要素：

本发明公开的一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法要解决的技术问题为，在考虑多重约束条件下实现小行星探测目标筛选，并通过对约束强弱等级和筛选难易程度进行判断，提高筛选速度和筛选效率。所述的多重约束包括探测时间范围约束、探测器与地球的测控通信约束、探测器成像约束、探测器速度增量约束。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法，根据探测任务的多重约束强弱情况对约束进行分类和排序，确定筛选顺序。根据探测器在轨时间寿命，测控站所支持的观测通信距离，确定探测时间范围约束和探测器与地球的测控通信约束。根据确定的探测时间范围约束和探测器与地球的测控通信约束，对小行星目标进行初选。根据探测器成像约束及小行星物理特性对目标进行进一步筛选。基于日-地-月系统转移轨道两点边值问题求解，根据速度增量约束进一步筛选目标小行星，并确定筛选出的目标小行星数量。根据筛选出飞越探测的目标小行星及目标小行星数量，完成相应的小行星探测任务。

本发明公开的一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法，包括如下步骤：

步骤一：根据探测任务的多重约束强弱情况对约束进行分类和排序，确定筛选顺序。

步骤一优选如下方法实现：

根据探测器实际情况和任务要求，给出探测任务存在的约束类型和约束量级，并对多重约束强弱程度进行分类和排序。所述的多重约束包括探测时间范围约束、探测器与地球的测控通信约束、探测器成像约束、探测器速度增量约束。其中探测时间范围约束为强约束，决定任务执行的时间；其次是探测器与地球的测控通信约束，仅与探测器自身能力有关；探测器观测条件约束和探测器速度增量约束均与目标小行星状态有关。从计算复杂度分析，探测器速度增量约束最复杂，因此按照探测时间范围约束、探测器与地球的测控通信约束、探测器成像约束顺序进行筛选，最后以探测器速度增量为约束对目标进行筛选。

步骤二：确定探测时间范围约束和探测器与地球的测控距离约束。

给定探测器在任务轨道运行所携带的燃料重量，评估探测器寿命，从而选定小行星飞越探测时间范围，保证探测的可靠性。

根据探测器测控站的天线长度、所采用的码速率确定目标探测器飞越小行星时与地球的最大距离约束。

步骤三：根据步骤二确定的探测时间范围约束和探测器与地球的测控距离约束，对小行星目标进行初选。

近地小行星分为四种类型，分别为amor型、aten型、apollo型和atira型。采用小行星定轨星历，考虑的各大天体摄动，对轨道进行递推，搜索满足探测时间范围约束中与地球最近距离小于测控距离约束的目标小行星，轨道递推的动力学模型为

其中：r为探测器实时位置，μi为各摄动天体的引力常数，χi＝r-ri，ri为轨道积分过程中摄动天体实时的位置矢量，由小行星定轨星历提供，积分终止时间为时间范围约束的终点。轨道递推后，筛选得到在满足时间约束的区间内小行星距离地球距离满足测控通信约束的目标小行星。

步骤三所述的小行星定轨星历优选de421行星星历，递推算法优选龙格库塔78法。

步骤四：根据探测器成像约束对目标进行进一步筛选。

根据探测器所携带的相机配置及成像质量要求，确定探测小行星的最小直径约束。

小行星的直径计算由公式(2)给出

d＝1329×10^-h/5pv^-1/2(2)

其中，d为小行星直径，h为绝对星等，pv为反照率。所述的绝对星等h、反照率pv通过数据库确定。

根据小行星最小直径约束，从步骤三筛选出的目标星中进一步筛选出少量符合要求的小行星。

步骤五：根据速度增量约束进一步筛选目标小行星，并确定筛选出的目标小行星数量。

给定探测器所携带的剩余推进剂重量，计算估计能够用于转移的总速度增量δv大小。根据速度增量约束对步骤四筛选出的剩余小行星的飞越探测机会以及转移所需总速度增量δv进行计算分析，最后筛选出飞越探测的目标小行星，并确定筛选出的目标小行星数量。

步骤五所述的计算估计能够用于转移的总速度增量δv大小具体实现方法如下：基于日-地-月以及探测器四体星历动力学模型，建立探测器飞越探测目标小行星时与小行星的最近距离、切向脉冲速度增量以及飞行时间之间的关系。通过探测时间范围约束和探测器与地球测控距离约束计算用于转移的总速度增量δv大小。

还包括步骤六：根据步骤五筛选出的飞越探测的目标小行星及目标小行星数量，完成相应的小行星探测任务。

有益效果：

1、在已有的探测小行星目标选择方法中，都需要进行大量速度增量计算，造成筛选速度慢、效率低。本发明公开的一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法，根据探测任务的多重约束强弱情况对约束进行分类和排序，确定筛选顺序，按照确定的筛选顺序对小行星探测目标进行筛选，提高筛选速度和筛选效率。

2、本发明公开的一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法，根据探测器实际情况和任务要求，给出探测任务存在的约束类型和约束量级，并对多重约束强弱程度进行分类和排序；所述的多重约束包括探测时间范围约束、探测器与地球的测控通信约束、探测器成像约束、探测器速度增量约束，因此，适用于具有探测时间范围约束、探测器与地球的测控通信约束、探测器成像约束、探测器速度增量约束的小行星探测目标筛选问题。

附图说明

图1为本发明公开的一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法流程图。

图2为本发明公开的一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法转移轨道图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合具体实施示例对本发明做出详细解释。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种多重约束下的多维度小行星探测目标筛选方法，具体实现步骤如下：

步骤一：根据探测任务的多重约束强弱情况对约束进行分类和排序，确定筛选顺序。

根据探测器实际情况和任务要求，给出探测任务存在的约束类型和约束量级，并对多重约束强弱程度进行分类和排序。在本实施例中，多重约束包括探测时间范围约束、探测器与地球的测控通信约束、探测器成像约束、探测器速度增量约束。其中探测时间范围约束为强约束，决定任务执行的时间；其次是探测器与地球的测控通信约束，仅与探测器自身能力有关；探测器观测条件约束和探测器速度增量约束均与目标小行星状态有关。从计算复杂度分析，探测器速度增量约束最复杂，因此按照探测时间范围约束、探测器与地球的测控通信约束、探测器成像约束顺序进行筛选，最后以探测器速度增量为约束对目标进行筛选。

步骤二：确定探测时间范围约束和探测器与地球的测控距离约束。

对日-地拉格朗日l2点lissajous轨道运行的探测器寿命进行评估，假设探测器初始时刻为2011年10月，探测器寿命小于2年，选定小行星飞越探测时间范围2011年10月至2013年6月。同时通过监测探测器在日-地拉格朗日l2点附近的lissajous轨道(距离地球约170万千米)飞行的状态，根据探测器与地面测控站数据传输所采用的码速率以及测控站天线长度，确定能够保证探测器与测控站通信可靠性的小行星距离地球的最远距离rmax＜1500万km，因此目标小行星与地球的距离约束为r＜rmax。其中，r为探测器飞越探测目标小行星时与地球的距离。

步骤三：根据步骤二确定的探测时间范围约束和探测器与地球的测控距离约束，对小行星目标进行初选。

对目前发现的一万多颗近地小行星进行轨道递推，搜索满足在探测时间范围约束[t1,t2]时间段内与地球最近距离小于rmax的小行星，其中，rmax为步骤二中确定的小行星探测距离约束。小行星的星历采用美国喷气动力实验室(jpl)公布的观测定轨星历。轨道递推的动力学模型为

其中r为探测器实时位置，μi为各摄动天体的引力常数，χi＝r-ri，ri为轨道积分过程中摄动天体实时的位置矢量，由de421星历得到，积分终止时间为时间范围约束的终点。递推算法选择龙格库塔78法，递推时间为de421星历的历元时刻至2013年6月。

轨道递推后，可以得到满足探测时间约束和测控通信约束的目标小行星。这一步筛选出的小行星数量为100颗左右。

步骤四：根据探测器成像约束对目标进行进一步筛选。

根据探测器任务要求，综合考虑星载相机的性能指标以及成像质量要求，确定飞越探测的目标小行星的最小直径为dmin＝1km，确定小行星直径约束满足约束的目标共3颗为toutatis，1998qe2，2005nz6。

步骤五：根据速度增量约束进一步筛选目标小行星，并确定筛选出的目标小行星数量。

给定探测器所携带的剩余推进剂重量，计算估计可用于转移的总速度增量大小δv＜120m/s。根据该约束对优选出的3颗小行星的飞越探测机会以及转移所需总速度增量进行计算分析，最后筛选和确定飞越探测的目标星。

步骤五所述的计算估计能够用于转移的总速度增量δv大小具体实现方法如下：基于日-地-月以及探测器四体星历动力学模型，求解两点边值问题，计算得出探测器飞越探测小行星的飞越机会以及转移所需的总速度增量。在t0^-时刻探测器在lissajous轨道上的运行状态为x0＝[r0,v0]^t，在t0⁺时刻沿轨道切向施加脉冲速度增量δv，使得探测器从lissajous轨道出发进行轨道转移。基于日-地-月-卫四体星历动力学模型，建立探测器飞越探测目标小行星时与小行星的最近距离xf、切向脉冲速度增量大小δv以及飞行时间tf之间的关系。通过探测时间范围约束和探测器与地球测控距离约束计算用于转移的总速度增量δv大小，搜索方法为遍历算法或优化算法。优选出的3颗小行星的飞越探测机会以及转移所需总速度增量见表1。从日地l2点lissajous轨道到目标小行星转移轨道图见图2。

表1优选出的目标小行星转移总速度增量表

备选目标中toutatis飞越探测所需速度增量为δv＝87.4m/s，且飞越时间在2年之内，满足所有约束，可作为小行星探测任务的备选目标。

步骤六：根据步骤五筛选出的飞越探测的目标小行星及目标小行星数量，完成此次小行星探测任务。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明。需要理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施示例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。