浅析火星深空探测飞行任务轨道设计

论文导读：
摘要：深空探测是当今世界最为尖端的科学工程，它展现了国家强大技术实力和对于未知世界的探讨精神。然而在每一次深空探测的任务的前期阶段，任务的轨道设计都是关键和必不可少的。文本主要探讨两种类型的轨道设计：地球—火星的直接转移轨道设计和利用引力甩摆的一次任务多颗行星探测轨道设计。由于探测器在太阳系中飞行，受到多个天体的引力，多体不足固有的非线性特性和探测器的长时间飞行而导致巨大的误差传播，使得设计星际直接转移轨道的历程比较困难。本论文系统的给出了建立直接转移轨道的策略，将该不足转化为一个两点边值不足，通过求解Lambert不足而获得的porkchop图来选取发射窗口，通过圆锥曲线拼接法获得探测器在地球停泊轨道的逃逸位置和逃逸速度的初始估计值，利用末端环火轨道的轨道根数来求得末端B平面参数，B平面参数和地球附近的轨道参数有很好的线性性质。值得一提的是，本论文还提出了B平面参数和传统的目标轨道根数的对应联系，给出了轨道设计多解有着性的条件和理由。并利用微分修正来求解该两点边值不足，其中敏感矩阵由数值差分获得。多次引力甩摆技术是一次任务探测多颗行星的有效策略。本论文重点探讨了两种类型的引力甩摆：有推力甩摆和无推力甩摆，建立了两种甩摆类型的数学模型，在指定甩摆天体次序的前提下，将多次甩摆轨道设计转化为非线性函数的全局优化不足。同时建立了两种引力甩摆技术相结合的轨迹优化模型，并通过在无推力甩摆之后的轨道中施加深空脉冲调节无推力甩摆之后的轨道性质，实现探测器与下一个天体甩摆的位置约束，并采取启发式算法—差分进化算法对该模型进行优化。针对上面陈述的两类轨道设计不足，我们利用VC++6.0开发了可视化软件“深空飞行任务规划工具（IMAT）”，本论文详细给出了软件的界面环境，分别针对这两类轨道设计不足，介绍了软件的参数配置策略和求解器的利用策略，给出了软件的程序结构和算法流程，并分别进行了算例的仿真计算，验证了软件的可靠性和算法正确性。关键词：火星探测论文B平面参数论文微分修正论文多次引力甩摆论文差分进化论文
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Abstract4-8
第1章 引言8-17

1.1 深空探测的作用8-9

1.2 深空探测的历程9-13

1.2.1 火星探测的历程10-13

1.2.2 利用引力甩摆的深空探测历程13

1.3 深空探测任务设计探讨13-16

1.3.1 火星探测直接转移轨道设计的探讨进展14-15

1.3.2 利用引力甩摆的轨道设计的探讨进展15-16

1.4 论文主要工作及各章内容介绍16-17

第2章 火星探测直接转移轨道设计17-59

2.1 本章引论17

2.2 发射窗口的确定17-19

2.3 圆锥曲线拼接法19-50

2.3.1 近地轨道确定20-22

2.3.2 目标 B 平面参数确定22-25

2.3.3 B 平面参数和轨道根数的联系25-49

2.3.4 由位置速度推导 B 平面参数49-50

2.4 火星探测直接转移轨道的设计50-58

2.4.1 火星探测直接转移轨道的数学模型50-51

2.4.2 自适应切换的积分器设计51-55

2.4.3 火星探测直接转移轨道的数值解法—微分修正55-56

2.4.4 关于末端时间固定的微分修正案例56-58

2.5 本章小结58-59

第3章 多次行星甩摆轨道设计59-71

3.1 本章引论59

3.2 引力甩摆的原理59-65

3.

2.1 无推力甩摆基本原理与模型59-62

3.

2.2 有推力甩摆基本原理与模型62-65

3.3 多次引力甩摆轨道设计的数学模型65-69

3.4 差分进化算法及其运用69-70

3.5 本章小结70-71

第4章 深空探测轨道设计软件系统开发71-89

4.1 本章引论71

4.2 火星探测直接转移轨道设计模块介绍71-82

4.

2.1 任务浅析与系统功能71-72

4.

2.2 地球—火星直接转移轨道设计模块构成72-74

4.

2.3 地球—火星直接转移轨道设计模块软件设置74-79

4.

2.4 地球—火星直接转移轨道设计算例仿真与验证79-82

4.3 多次引力甩摆轨道设计模块介绍82-88
4.3.1 任务浅析与系统功能论文导读：824.3.2多次引力甩摆轨道设计模块构成824.3.3多次引力甩摆轨道设计模块软件设置82-864.3.4多次引力甩摆轨道设计算例仿真与验证86-884.4本章小结88-89第5章总结与展望89-91参考文献91-93致谢93-94个人简历、在学期间发表的学术论文与探讨成果94上一页12
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4.

3.2 多次引力甩摆轨道设计模块构成82

4.

3.3 多次引力甩摆轨道设计模块软件设置82-86

4.

3.4 多次引力甩摆轨道设计算例仿真与验证86-88

4.4 本章小结88-89
第5章 总结与展望89-91
参考文献91-93
致谢93-94
个人简历、在学期间发表的学术论文与探讨成果94