一种基于火星大气辅助的低轨星座部署方法

摘要

本发明公开的一种基于火星大气辅助的低轨星座部署方法，涉及一种火星大气与其引力系统下的火星星座部署方法，属于航空航天技术领域。本发明通过优化得到满足气动力要求的控制率来求解出所需初始轨道进入大气施加的速度脉冲和飞行器进入目标轨道施加的速度脉冲。探测器通过施加所需的飞行器从初始轨道进入大气速度脉冲将载有的飞行器从远火点位置释放并进入大气，在大气内通过优化给出的控制率进行气动力辅助轨道转移，并通过施加所需的飞行器进入目标轨道施加的速度脉冲将飞行器定轨到目标轨道上，将多颗星座飞行器分别部署到各自的目标轨道上，实现对整个星座的部署。本发明部署过程所消耗的能量低，对目标轨道没有严苛的要求，部署过程灵活。

主权项

一种基于火星大气辅助的低轨星座部署方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：在火星赤道惯性坐标系下建立探测器运动方程，确定探测器的轨道根数，从而确定探测器远火点的位置；步骤二：确定火星大气边缘高度以及从初始椭圆轨道进入大气所需脉冲△v₁，并确定飞行器转移到大气边缘时的速度v₀与航迹角γ₀；给定火星大气边缘位置矢径为r₀；由于在远火点加机动进入大气所需脉冲量△v₁最小，所以在远火点给探测器载有的飞行器施加一次脉冲机动使得飞行器进入大气，根据椭圆轨道能量方程(12)得到在远火点探测器的速度v；远火点探测器的速度v为：当给出进入大气的转移轨道的近地点为r_pe，则可以求得飞行器从初始轨道进入大气所需的速度脉冲△v₁为：根据初始轨道远火点高度r_a、进入大气的转移轨道的近地点r_pe和火星大气边缘位置矢径r₀可以求得飞行器转移到大气边缘时的速度v₀与航迹角γ₀：步骤三：确定气动力辅助转移过程的运动方程、控制量、终端约束和定轨速度脉冲△v₂；飞行器在火星大气内的运动如方程(17)所示：其中，V为飞行器速度，r为飞行器矢径，γ为飞行航迹角，ψ为飞行航向角，θ为飞行器相对火星经度，为飞行器相对火星纬度；m为飞行器质量，μ_e为火星引力常数，I_sp,g₀分别为发动机比冲和重力加速度；α为攻角，σ为滚转角，T为发动机推力，所述的三个变量攻角α、滚转角σ、发动机推力T均属于控制量；若考虑无推力的气动力辅助轨道转移过程，则取T＝0；给出每个飞行器出大气之后的倾角i_f和目标轨道高度h_f，其中目标轨道高度h_f对应的矢径为r_f，从而确定出大气时刻飞行器终端状态需满足的约束，即为：此时，当飞行器飞出大气之后，飞行器沿转移轨道转移至目标轨道所在高度，之后通过施加第二次速度脉冲△v₂使飞行器进入目标轨道，所需施加第二次速度脉冲△v₂大小为：步骤四：给出飞行器部署过程的优化性能指标，并根据优化性能指标和优化方法给确定优化后的所需初始轨道进入大气施加的速度脉冲△v₁和飞行器进入目标轨道施加的速度脉冲△v₂，并给出飞行器在大气内飞行的控制率；给出飞行器部署过程优化性能指标：min J＝△v₁+△v₂     (21) 根据优化性能指标和优化方法给确定优化后的所需初始轨道进入大气施加的速度脉冲△v₁和飞行器进入目标轨道施加的速度脉冲△v₂；步骤五：根据步骤四的优化结果实现低轨星座部署；通过步骤四的优化可以得到步骤二需确定的飞行器从初始轨道进入大气施加的速度脉冲△v₁、步骤三需确定的飞行器进入目标轨道施加的速度脉冲△v₂和飞行器在大气内飞行的控制率；探测器通过施加所需的飞行器从初始轨道进入大气速度脉冲△v₁将载有的飞行器从远火点位置释放并进入大气，在大气内通过优化给出的控制率进行气动力辅助轨道转移，并通过施加所需的飞行器进入目标轨道施加的速度脉冲△v₂将飞行器定轨到目标轨道上，从而实现低轨星座部署。