航天器轨道机动研究

本科毕业设计论文

题目航天器轨道机动研究

专业名称

学生姓名

指导教师

毕业时间2014年6月

毕业 任务书

一、题目：

航天器轨道机动研究

二、指导思想和目的要求：

航天器轨道机动已经广泛应用在航天器入轨和轨道保持等领域，但随着空间科学的不断发展，多个航天器之间的交会与轨道机动已经成为技术上需要重点研究的对象，本课题将对这一领域进行深入研究，希望通过该毕业设计，学生能达到：

1. 掌握Hohmann 转移、Lambert 转移的原理与实例。

2. 能用MATLAB 仿真出航天器的运行轨道。

3．锻炼学生的科研工作能力和培养学生团队合作及攻关能力。

三、主要技术指标：

（1） 学习二体力学、Hohmann 转移、Lambert 转移在航天器轨道中的应用。

（2） 熟练掌握MATLAB 软件，并能应用MATLAB 编写航天器轨道程序，仿

真出轨道轨迹，利用提供的大量数据分析出如何才能使航天器更节省能源，找出航天器最优轨迹。

（3） 翻译相关的英文科技文章一篇。

（4） 撰写毕业设计论文一篇。

四、进度与要求

第01周----第02周： 参考翻译英文文献；

第03周----第04周： 学习Hohmann 转移和Lambert 转移的原理；

第05周----第08周： 研究二体轨道力学和Hohmann 转移的算法；

第09周----第14周： 应用Matlab 编写航天器轨道机动程序；

设计

论文

第15周----第16周：撰写毕业设计论文，论文答辩。

五、主要参考书及参考资料：

[1]杨嘉墀. 航天器轨道动力学与控制. 中国宇航出版社，1995.

[2]赵钧. 航天器轨道动力学. 哈尔滨工业大学出版社，2011.

[3]竺苗龙. 绕地飞行航天器最佳发射轨道理论及其他问题的研究. 中国宇航

出版社，2011.

[4]薛定宇、陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用. 清华大学

出版社，2002.

[5]周军. 航天器控制原理. 西北工业大学出版社，2001.

[6]袁建平. 航天器轨道机动动力学[M]. 北京：中国宇航出版社，2010.

[7]杨乐平，朱彦伟. 航天器相对运动轨迹规划与控制[M]. 北京：国防工业出版

社，2010.

[8]刘鲁华. 航天器相对运动轨道动力学与控制[M]. 北京：中国宇航出版社，

2013.

[9]张志涌，杨祖樱. MATLAB教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,1999.

[10]唐国金,罗亚中,张进.空间交会对接任务规划[M].北京:科学出版社，2007.

[11]王忠贵,罗亚中.基于改进遗传算法的最优交会控制器设计[J]. 弹箭与制导学

报2004,24(3):14-17.

学生指导老师系主任

摘要

随着科学技术的进步与航天活动的迅速发展，人们的探索精神越来越浓厚，人类活动的领域也由大气层内扩展到宇宙空间，航天事业得到蓬勃发展，世界各国都将航天事业的成就作为评比国家科技的发达程度，航天技术越来越受到人们的重视，其中轨道机动研究是航天工程的关键技术之一。本文重点对二体系统、Hohmann转移、Lambert转移问题进行了研究。

首先，二体问题即研究两个天体(质点)在其相互的万有引力作用下的运动问题，在二体问题中只研究某一个对空间飞行器运动产生最大影响的天体的作用，而忽略其他天体对飞行器的影响。二体系统是轨道机动的理论基础，它是研究两个天体不考虑其他天体的影响在引力作用下的运动规律，它是天体力学中最简单的，唯一有精确数学解的问题。

其次，两个高度不同的轨道间转移经常用到的一种方式是Hohmann转移，Hohmann转移所用的轨道是一近地点在较低高度、远地点在较高高度的椭圆轨道。利用这一轨道航天器可以实现从低轨道到高轨道的转移，或从高轨道到低轨道的转移。Hohmann转移虽然所用到的能量最小，但它是以牺牲时间为代价的，需要半个转移轨道的周期。在实际的飞行中，采用Hohmann转移还是快速转移实现轨道转移是由任务决定。

最后，Lambert变轨是一个双脉冲问题，即给定航天器初始时刻的位置和速度，目标航天器在初始时刻位置和速度，要求给定飞行时间，以使航天器和目标航天器达到交会状态，然后计算得到航天器在初始和终端时刻两次点火的速度增量。

关键词：轨道机动，二体系统，Hohmann转移，Lambert转移

ABSTRACT

With the rapid development of science and aerospace activities, people's spirit of exploration is becoming increasingly strong and the range of human activities has expanded into space from the ground. As a result, nowadays the space industry has been booming and all countries in the world regard achievements of aerospace industry as a symbol of how developed the national science and technology. Moreover, people pay more and more attention aerospace technology. Especially, orbit maneuver is one of the key technologies in that research and this thesis focus on this problem, including two-body problem, Hohmann transfer, Lambert transfer problem.

First of all, the two-body problem studies two celestial bodies (particle) movement problems in their mutual gravitational effects. As a matter of fact, the two-body problem only focus on the one celestial body which have the greatest impact on the movement of the spacecraft while ignoring the gravitational effects of other celestial bodies. Thus, orbital maneuvering in the two-body problem is the theoretical basis which studies the movement of the spacecraft perturbed by only on celestial body without consider other celestial bodies. Therefore it represents the easiest celestial mechanics and the two-body problem is the only one model which has exact mathematical solution.

Secondly, one common orbital transfer between two different orbits around Earth is the Hohmann transfer. In fact, the Hohmann transfer orbit is an elliptical orbit used to transfer between two circular orbits of different altitudes, in the same plane. The orbital maneuver to perform the Hohmann transfer uses two engine impulses, one to move a spacecraft onto the transfer orbit and a second to move off it. Moreover, Hohmann transfer always needs less fuel consumption but more flight time which is one half of the orbital period for the whole ellipse. In the actual flight, using Hohmann transfer orbit transfer or rapid transfer is always determined by the task.

Finally, Lambert transfer is two-impulse problem. When given the initial time and the initial state of the spacecraft, as well as the finial time and the finial state of the spacecraft, the spacecraft reach the intersection state once given the flight time between

the initial and finial state. As a result, the velocity increment can be calculated with those given parameters.

KEY WORDS: orbital maneuver, Two-body systems, Hohmann transfer, Lambert transfer

目录

第一章绪论 (1)

1.1选题的依据及意义 (1)

1.2 轨道机动 (2)

1.3 国内外研究现状 (3)

第二章二体系统 (8)

2.1二体系统的模型 (8)

2.1.1二体问题 (8)

2.1.2轨道根数及其几何意义 (10)

2.2时间系统 (11)

第三章Hohmann转移轨道设计及其仿真 (14)

3.1 Hohmann转移概念 (14)

3.1.1 Hohmann转移简介 (14)

3.1.2 Hohmann转移公式 (15)

3.2 Hohmann转移事例 (16)

3.3 Hohmann转移仿真 (23)

第四章Lambert转移轨道设计及其仿真 (27)

4.1 lambert转移概念 (27)

4.1.1 Lambert转移概念 (27)

4.1.2 Lambert转移公式 (29)

4.2 lambert转移事例 (31)

4.3 lambert转移仿真 (33)

第五章总结与展望 (39)

参考文献 (41)

致谢 (43)

毕业设计小结 (44)

第一章绪论

1.1选题的依据及意义

从1996年10月7日，江泽民主席在第47届国际宇航联大会开幕式上的讲话中指出：科学技术的发展，使人类实现了遨游太空的梦想，获得了认识自然、认识宇宙的新基点和新条件，这是人类文明史上的又一次飞跃。

人类最早于1957年由苏联发射了第一颗人造卫星，即Sputnik-1卫星，从此人类开始对太空展开了不断深入的探索[1]。航天技术在世界范围内取得突飞猛进的进展，这大大的增强了人类认识和改造自然的能力，促进了生产力的发展的和社会的进步。但随着对空间研究、开发与应用的不断深入，各国相继研制发了大量面向不同需求的飞行器，飞行器的结构、组成日趋复杂。为保证空间飞行器在复杂的空间环境中更加持久稳定的运行，空间在轨服务技术成为一个新的研究方向。自古以来，了解太空，探索地球以外的物质，一直是人类不懈追求的梦想。二十世纪五十年代出现的航天技术，开辟了人类探索外层空间活动的新时代，经过近半个世纪的迅速发展，人类航天活动取得了巨大成就，极大地促进了生产力的发展和社会的进步，产生了重大而深远的影响，航天技术已成为当今世界高技术群中对现代社会最具影响的高技术之一，不断发展和应用航天技术已成为世界各国现代化建设的重要内容，随着科学技术的进步与经济的发展，国际航天活动正在蓬勃开展。进入二十一世纪以来，空间操作(空间营救，来袭目标规避，空间攻击，交会对接，编队飞行及在轨服务等)逐渐多样化和复杂化，各类特殊的轨道机动已经无法满足空间任务要求，基于开普勒理论的脉冲变轨、霍曼转移等已无法胜任。随着空间应用领域的扩展，轨道机动幅度和范围越来越大、快速性要求越来越强、过程越来越复杂，对于航天器而言，控制水平的高低直接关系到航天器的功能发挥和水平，因而受到了人们普遍的重视并进行了深入的研究。

二十一世纪将是世界航天活动蓬勃发展的新世纪，为了适应国际航天领域发展趋势，推动我国航天技术的进步,我国将从本国国情出发，继续推进航天事业的发展，

为和平利用外层空间，为人类的文明和进步做出应有的贡献，国务院新闻办公室在其发表的题为5中国的航天6的白皮书中指出，根据科学研究和提高综合国力的现实需求，我国明确提出了发展空间科学，开展深空探测的发展目标，包括建立新型的科学探测与技术试验卫星系列，加强空间微重力、空间材料科学、空间生命科学、空间环境和空间天文研究，以及开展以月球探测为主的深空探测的预先研究,近期月球探测正在实施当中，以后将陆续开展行星际的深空探测和研究[4]。

因此，对卫星进行仿真研究，用于航天任务的设计与分析以及最终任务方案的验证和评估是非常必要的。通过计算机仿真技术对卫星进行仿真，不仅可以节省财力物力，尽可能早地暴露设计中的问题，而且还可以验证其方案的可行性，对其能否实现总体目标、满足约束条件等进行评估。

本文正是基于国家航天战略发展需求和中国科学院创新工程需要，以空间科学与探测任务论证支持平台项目为实用背景，对深空探测器的轨道设计与优化方法进行了深入的研究，并针对具体科学探测任务案例给出详细分析。为了便于后续工作，初步构建一个深空探测轨道方案资料库，日后不断扩充和完善其内容。

1.2 轨道机动

轨道机动（Orbital MaNeuvers）是指航天器主动地改变飞行轨道的过程。这里指出了三层含义，分别说明了轨道机动的目的、过程和属性。首先，轨道机动是航天器的主动行为，是有目的的、面向应用的飞行，这就排除了某些干扰因素引起的漂移性轨道变化；其次，轨道机动是要改变飞行轨道的，亦即航天器的机动飞行要打破已有的惯性飞行，不再遵从开普勒定律；最后，轨道机动是一个“过程”，是航天器的一个飞行历程，不同于脉冲变轨[1,6]。

轨道机动的这一定义是一个逐渐明晰的结果，同一个词不断被赋予新的含义。实际上轨道机动的概念先于人造卫星的出现就已提出来了。在人造卫星发展的初期，轨道机动主要是指入轨时的变轨、轨道提升和轨道转移等，是基于脉冲推力下的开普勒轨道飞行。随着空间应用领域的扩展，轨道机动幅度和范围越来越大、快速性要求越来越强、过程越来越复杂。载人飞行实现后就进一步提出了这样的要求：如果载人飞船出现故障，营救飞船需要在指定的时间机动到飞船所在的任意位置，与之对接并实施救援。因此，当前对轨道机动就有了新的诠释，即大范围、快速、自