哈工大深空探測軌道設(shè)計作業(yè)-地球至火星軌道設(shè)計

目錄研究現(xiàn)狀及分析)仿真分析仿真任務(wù)：在未來3年內(nèi)尋找發(fā)射時機，設(shè)計地球—火星轉(zhuǎn)移軌道，以總能量最小為指標。假設(shè)地球停泊軌道高度200km、軌道傾角為的圓軌道，目標軌道為高度500km、傾角為的火星繞飛軌道。軌道動力學(xué)模型只考慮太陽、地球、火星的引力作用及地球J2項攝動。分別給出初步軌道設(shè)計參數(shù)和精確軌道設(shè)計參數(shù)。初步軌道參數(shù)設(shè)計結(jié)果地球和火星的會合周期為約為780天，為了尋找未來三年內(nèi)的發(fā)射時機，設(shè)置參考發(fā)射時間為2023年1月1日，搜索區(qū)間為+-540天，即發(fā)射時間的下限設(shè)置為2023-7-11，發(fā)射時間的上限設(shè)置為2023-6-25，可以得到從地球發(fā)射飛行器所需的能量C3的變化情況如REF_Ref419737634\h圖10所示，而軌道轉(zhuǎn)移所需的總速度增量變化情況如REF_Ref419737641\h圖11所示：圖SEQ圖\*ARABIC10未來3年內(nèi)地球到火星任務(wù)所需發(fā)射能量的變化等高線圖圖SEQ圖\*ARABIC11未來3年內(nèi)地球到火星任務(wù)的總速度增量變化等高線圖通過對等高線圖進行分析，可以知道如果以最小能量C3為優(yōu)化目標，可以知道衛(wèi)星發(fā)射的時間為13-Mar-2023，到達的時間為10-Jan-2023，總的飛行時間為303天，而C3的性能參數(shù)為7.9947km/s，當以最小速度增量為優(yōu)化目標時，衛(wèi)星的發(fā)射時間為16-Jan-2023，到達的時間為19-Oct-2023，總的飛行時間為277天，此時速度增量取最小為km/s。在相同的條件下，以速度增量最小為目標函數(shù)，采用優(yōu)化算法進行求解可以確定衛(wèi)星發(fā)射的時間為11-Feb-2023，到達的時間為01-Dec-2023km/s，與采用基于等高線圖方法得到的結(jié)果非常一致。以優(yōu)化算法的求解結(jié)果，對地球—火星探測軌道進行初步設(shè)計，可以確定出轉(zhuǎn)移時刻停泊軌道以及雙曲線軌道對應(yīng)的軌道六根數(shù)如REF_Ref419737694\h表2所示表SEQ表\*ARABIC2初步設(shè)計的軌道參數(shù)軌道類型半長軸a〔km〕偏心率e軌道傾角i(o)近地點幅角ω(o)升交點赤經(jīng)Ω(o)真近點角θ(o)停泊軌道6578.137800252.4920.1788轉(zhuǎn)移軌道44174.197128.5221.1788.49200可以計算出在停泊軌道需要施加的速度脈沖大小為3.6268km/s，而速度脈沖在地球慣性坐標系下的矢量可以表示為[-3.0062，-1.5556，-1.3025]km/s。1.4.2精確軌道參數(shù)設(shè)計結(jié)果基于B平面參數(shù)對軌道進行精確設(shè)計，可以確定發(fā)射時刻為11-Feb-2023，到達時刻為29-Nov-2023，飛行器的轉(zhuǎn)移時間為3天，整個轉(zhuǎn)移軌道如REF_Ref419737659\h圖12所示：圖SEQ圖\*ARABIC12日心坐標系下探測器的轉(zhuǎn)移軌道圖像通過計算可以得到在地球停泊軌道的轉(zhuǎn)移時刻，停泊軌道以及雙曲線軌道的軌道參數(shù)如REF_Ref419737682\h表3所示：表SEQ表\*ARABIC3精確設(shè)計出的軌道參數(shù)軌道類型半長軸a〔km〕偏心率e軌道傾角i(o)近地點幅角ω(o)升交點赤經(jīng)Ω(o)真近點角θ(o)停泊軌道6578.137800249.7983223.3932轉(zhuǎn)移軌道43914.3784828.5223.3932249.79830而在停泊軌道上，衛(wèi)星所施加的速度增量為[-3.0360,-1.5395,-1.2583]km/s，脈沖大小為3.6292km/s。探測器從逃離地球影響球后的轉(zhuǎn)移軌道在火心坐標系下的圖像如REF_Ref419737665\h圖13所示：圖SEQ圖\*ARABIC13火心坐標系下脫離地球影響球后的轉(zhuǎn)移軌道經(jīng)過3天，探測器在29-Nov-2023，進行第二次變軌，此時在火星中心坐標系下，轉(zhuǎn)移軌道的參數(shù)如下：半長軸：2154.5762km偏心率：軌道傾角：89.8999o近地點幅角o升交點赤經(jīng)o真近點角：0o此時飛行到達的高度為：498.395768kilometers，與目標軌道相比還有km的距離誤差，而軌道傾角的偏差為。該偏差可以通過軌道修正完成。結(jié)論本課程設(shè)計首先對火星探測器轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計的研究現(xiàn)狀進行調(diào)研，重點對發(fā)射窗口、火星探測軌道設(shè)計以及軌道優(yōu)化三個方面進行了詳細的闡述；然后介紹了轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計中關(guān)于時間系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)、星歷數(shù)據(jù)、B平面以及Lambert問題等根底理論，在此根底上給出了火星探