基于显式制导的月地返回轨道中途修正研究

《基于显式制导的月地返回轨道中途修正研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2013年10月第5期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology基于显式制导的月地返回轨道中途修正研究胡军1‘2周亮1。2(1北京控制工程研究所，北京100190)(2空间智能控制技术重点实验室，北京100190)摘要月地返回轨道存在各种摄动误差，终端约束复杂，有必要对其进行中途修正研究。显式制导法通过二体轨道与精确轨道之间的差别进行多次迭代求解给定时刻所需的修正速度。文章利用显式制导法，采用月球段及地球段分段进行中途修正的策略，给出了基于分段落点预报显式制导的月地

2、返回轨道中途修正方案。该方案无需计算雅克比矩阵，算法简单、计算快速、实用性强，能满足再入点参数要求。算例仿真与蒙特卡洛仿真验证了该方案的适用性。关键词分段落点预报显式制导中途修正月地返回轨道深空探测DOI：10．3780／i．issn．1000—758X．2013．05．0021引言在深空探测中，由于存在各种误差(初始置人误差、导航误差、发动机执行误差以及模型误差等)，实际轨道与标称轨道并不一致，有必要进行中途修正。地月转移轨道的中途修正已做了广泛深入的研究[1。2]，“嫦娥一号”工程的成功已表明其实用

3、性[3]。与地月转移轨道相比，从月球驻留轨道到地球大气层再人点的月地返回轨道至少具有以下两点特殊性：1)月地返回轨道的终值条件需要满足地球大气层再人的初值要求，约束条件复杂；2)受月球驻留轨道交会对接及深空测控影响，其初始置入误差、导航误差更大。所以有必要对月地返回轨道的中途修正做针对性的研究。制导方法有基于小偏差的摄动制导法和适用范围广的显式制导法[4]。文献[5]提出一种基于线性修正的固定落点中途修正方法，能够满足月球采样返回任务对大气再人参数及落点位置的要求，其本质为摄动制导法¨。80；文献[4，

4、9]利用显式制导法n0

5、，分别解决了传统地月转移轨道中途修正和基于平动点的低耗能地月转移轨道中途修正问题，本文借鉴显式制导的思路进行月地返回轨道的中途修正研究。考虑月地返回轨道的特点，基于落点预报的显式制导法，采用月球段及地球段分段进行中途修正的策略，给出了基于分段落点预报显式制导的月地返回轨道中途修正方案。通过数值仿真，说明了该方案的优点。根据提出的方案，分别在给定的误差条件下，进行算例仿真和蒙特卡洛仿真，结果表明该方案能够满足再入点参数要求。2基于显式制导的月地返回轨道中途修正2．1数学模型对于月地

6、返回轨道来说，月球和地球分别为月球段和地球段的中心天体，所以月地返回轨道的二体模型包含两段：1)月心段二体模型轨道动力学方程建立在月心赤道惯性坐标系中，如式(1)所示；2)地心段二体模型轨道动力学方程建立在地心赤道惯性坐标系中，如式(2)所示。收稿日期：2013—02—16。收修改稿日期：20130508!主国窒回型兰垫查!!!i芏!Q旦_d‘r—mp9一一口m争(1)1p'、一7Cltrmo矿d2r一一P。芦r(2)d￡2P。r3⋯式中r。。为探测器相对月球的位置矢量；r为探测器相对地球的位置矢量；／

7、1。，∥。分别为月球和地球的引力常数。月地返回轨道的多体模型除要考虑月球、地球的中心引力外，还包括N体引力、地球非球形、月球非球形、太阳光压和大气阻力等摄动因素。在地心赤道惯性坐标系中，多体模型的完整轨道动力学方程孑d2r一1专一卢。(焉+恚)+鲁+等+等+等+等㈤式中，．。。为月球的位置矢量；等号右边第一项、第二项分别为地球、月球中心引力加速度；m为探测器质量；fN是除地球、月球外的N体引力摄动力；f。。。是地球非球形摄动力；f。。。是月球非球形摄动力；f。。lar是太阳光压摄动力；f慨是大气阻力摄动

8、力。二体模型形式简单，可用解析算法近似得到中心天体附近探测器状态。多体模型较为复杂，虽然某些摄动因素对轨道状态影响很小，但是更精确的轨道动力学模型就意味着更小的模型误差，更有利于中途修正方案的分析与设计。月地返回轨道的边值约束条件较地月转移轨道复杂，本文假定与文献[11]一致：转移时间为72h；月球端驻月轨道高度h。一200km，驻月轨道倾角豇=40。；地球端再入点地心距TZE=6500km，再入点经度A。一42．28。，纬度9。一4．83。，再人角0—一6。，轨道倾角i。一43。左右。2．2基于落点预

9、报的显式制导法基于落点预报的显式制导法是建立在偏差轨道相对于标称轨道的偏差为小量的基础上，利用二体模型计算修正点到标称轨道落点在给定转移时间的二体需要速度，然后把该速度叠加一个速度补偿作为从修正点到标称轨道落点的实际需要速度[4]。其计算过程如下：1)以修正点位置r。和速度'，。为初始值，根据多体模型，按照给定的积分时间T，计算出偏差轨道落点位置r。和速度'，h2)以修正点位置，。和落点位置rL，根据二体模型，按照给定的转移时间T，依据求解