CN104422444A - 深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法 - Google Patents

深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法 Download PDF

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刘宇
王卫华
王钦
刘珊珊
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Abstract

本发明涉及深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法，该深空自主导航***信标布置方法包括如下步骤：1）在太阳系中选择合适的平动点；1-1）平动点长期演化分析；1-2）平动点分布覆盖性分析；2）布置信标航天器到选择的平动点。本发明涉及深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法可为人类太阳系中的深空探测器提供精确的绝对导航信息。

Description

深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法
 
技术领域
本发明涉及深空探测器导航领域，尤其涉及一种深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法。
 
背景技术
随着人类进一步迈向火星及以外的深空，器地距离将超过数个天文单位，此时地面无线电导航的精确度将严重下滑（可达数百至数千千米），同时时间延迟也大大延长（从数时分钟提高到数小时），地面无线电导航将难以为深空探测器提供实时的绝对导航信息，给深空探测器的关键探测事件的执行带来困难。而常规的基于光学的自主导航需要在距离行星很近的距离（通常不超过500万千米）才能进行导航，无法在长期的星际飞行阶段获得高精度的导航信息。
 
发明内容
本发明的目的在于提供一种深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法，为人类太阳系中的深空探测器提供精确的绝对导航信息。
为了实现上述目的，本发明提供一种深空自主导航***信标布置方法，包括如下步骤：1）在太阳系中选择合适的平动点；1-1）平动点长期演化分析；1-2）平动点分布覆盖性分析；2）布置信标航天器到选择的平动点。
其中，所述的1-1）中，利用日-目标天体-探测器限制性三体模型，同时考虑八大行星、冥王星和月球的引力摄动求解 Lissajous轨道和halo轨道的高阶分析解。
其中，所述的1-2）中，以三阶分析解为初值，用微分改正方法寻找实际力模型下的Lissajous轨道和halo轨道，其中，实际力模型是指在日-小行星-探测器限制性三体模型下考虑了八大行星、冥王星和月球的引力摄动，各大天体的星历采用DE405历表。
本发明提供的另一技术方案是，一种深空自主导航方法，采用上述深空自主导航***信标布置方法在太阳系内构建深空导航信标***。
其中，利用三角定位原理实现深空探测器深空自主导航。
本发明提出的深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法，在与深空探测器相近的太阳系中选择几个平动点，在这些平动点上布置携带精确时标的超长寿命航天器作为信标，构成一个太阳系内分布均匀的深空导航信标***，利用三角定位原理，为人类太阳系中的深空探测器提供精确的绝对导航信息。
 
附图说明
图1是本发明的深空自主导航***信标布置方法的流程图。
图2是本发明较佳实施例中Apophis L1点附近的Lissajous轨道（                                               ）。
图3是本发明较佳实施例中Apophis L1点附近的halo轨道（）。
图4是本发明较佳实施例中实际力模型下Apophis L1点附近的Lissajous轨道（）。
图5 是本发明较佳实施例中实际力模型下Apophis L1点附近的halo轨道（）。
 
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的深空自主导航***信标布置方法及自主导航方法作进一步详细说明。
本发明思路：在与深空探测器相近的太阳系中选择几个平动点（例如日木、日地、日火），在这些平动点上布置携带精确时标（时钟精度优于10-13秒）的超长寿命航天器作为信标，构成一个太阳系内分布均匀的深空导航信标***，利用三角定位原理，为人类太阳系中的深空探测器提供精确的绝对导航信息。
参见图1，本发明的深空自主导航***信标布置方法包括如下步骤：
1）在太阳系中选择合适的平动点
1-1）平动点长期演化分析；
利用日-目标天体-深空探测器限制性三体模型，同时考虑八大行星、冥王星和月球的引力摄动求解 Lissajous轨道和halo轨道的高阶分析解，具体求解步骤如下：
在坐标原点为平动点的坐标系中，运动方程可写成如下形式：
其中
式中，为勒让德多项式，（x，y，z）为信标航天器的位置坐标，Cn为勒让德多项式系数；
求解上式可得平动点附近的Lissajous轨道，可以写成如下形式的三角级数：
        （1）
其中，为常数，为解的阶数，求和符号中表示，α，β分别为平面内及垂直平面的振幅，表示成如下的级数形式：
高阶解可以由低阶解递推求得；
通常情况下并不通约，但当平面内振幅和垂直平面内振幅大到一定程度的时候，它们的某些组合会使，此时便可得到空间中的周期轨道，称为halo轨道，此时halo轨道可展开成如下的三角级数形式：
       （2）
求解公式（1）和公式（2）所得到的解确定了平动点的选择范围； 
1-2）平动点分布覆盖性分析；
以三阶分析解为初值，用微分改正方法寻找实际力模型下的Lissajous轨道和halo轨道，所述实际力模型是指在日-小行星-探测器限制性三体模型下考虑了八大行星、冥王星和月球的引力摄动，各大天体的星历采用DE405历表；具体步骤如下：
以平动点为坐标原点，则基本变量为，式中r为深空探测器位置矢量，r0为天***置矢量，可将运动方程写成如下形式：
其中，由上式可知仅仅与各大天体的运动相关，与无关，而当的时候，，正是由于的存在， Li不再是一个平衡点；
本发明采用多点打靶的方法，设在实际力模型下***对应的相流为，则实际力模型下轨道与目标轨道（步骤1-1）确定的平动点的轨道）的偏差为：
然后利用牛顿迭代法求解实际力模型下的解，记为第j次迭代的结果，那么第j+1次迭代的结果为：
其中
为点到点的状态转移矩阵，I为单位矩阵；
    步骤1-2）对步骤1-1）确定的平动点进行进一步分析，选择稳定的平动点作为信标航天器的投放点；
2）布置信标航天器到选择的平动点。
 
现以一具体实施例说明本发明的深空自主导航***信标布置方法：
以小行星Apophis（目标星）为例，其在JD= 2455800.5时的轨道根数为
质量为，将单位制无量纲化如下：
深空探测器入轨时间为2018年3月14日0时，对应儒略日JD=2458191.5，下文以L1点附近的轨道为例，此时，Apophis 平动点L1附近的三阶Lissajous和halo轨道如图2及图3所示。
图4所示为实际力模型下Apophis L1点附近的Lissajous轨道，图5所示为实际力模型下Apophis L1点附近的halo轨道，比较图4和图2，两者之间的偏差在可接收范围内，比较图5和图3，两者之间的偏差在可接收范围内，即该平动点是稳定的平动点，可作为信标航天器的投放点。
本发明的深空自主导航方法利用上述深空自主导航***信标布置方法构成一个太阳系内分布均匀的深空导航信标***，再利用三角定位原理实现深空探测器深空自主导航。

Claims (5)

1.深空自主导航***信标布置方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）在太阳系中选择合适的平动点；
1-1）平动点长期演化分析；
1-2）平动点分布覆盖性分析； 
2）布置信标航天器到选择的平动点。
2.如权利要求1所述的深空自主导航***信标布置方法，其特征在于，所述的1-1）中，利用日-目标天体-探测器限制性三体模型，同时考虑八大行星、冥王星和月球的引力摄动求解 Lissajous轨道和halo轨道的高阶分析解。
3.如权利要求1所述的深空自主导航***信标布置方法，其特征在于，所述的1-2）中，以三阶分析解为初值，用微分改正方法寻找实际力模型下的Lissajous轨道和halo轨道，其中，实际力模型是指在日-小行星-探测器限制性三体模型下考虑了八大行星、冥王星和月球的引力摄动，各大天体的星历采用DE405历表。
4.深空自主导航方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的深空自主导航***信标布置方法在太阳系内构建深空导航信标***。
5.如权利要求4所述的深空自主导航方法，其特征在于，利用三角定位原理实现深空探测器深空自主导航。
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