地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.010

1.
bob手机在线登陆宇航学院, 北京 100081;深空探测自主导航与控制工业与信息化部重点实验室, 北京 100081
2.
bob手机在线登陆宇航学院, 北京 100081

基金项目:新世纪优秀人才支持计划支持项目；国家自然科学基金项支持项目（11572038）；“飞行器动力学与控制”111引智创新基地支持项目

Design of Earth-Moon L2 Halo Orbit Transfer Trajectory for Relay Satellite Using Lunar Flybys

1.
School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;Key Laboratory of Autonomous Navigation and Control for Deep Space Exploration, Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100081, China
2.
School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

摘要:位于地月L2点周期轨道的中继星将首次为“嫦娥4号”月球背面着陆探测任务提供通信中继服务。中继星转移轨道设计是中继任务实施的关键环节。针对中继星转移轨道存在转移时间、近月点高度和halo轨道振幅等约束条件，系统研究了基于月球近旁的地月L2点转移轨道设计方法。首先基于限制性三体模型，分析了halo轨道族与着陆点可见性关系；然后将月球近旁转移轨道分为地月直接转移段和地月动平衡点附近周期轨道拟流形入轨转移段，采用带有状态约束的微分修正算法对这两段轨道进行拼接，得到了从地球附近至目标轨道族的月球近旁转移轨道；最后，针对南族halo轨道分析了halo轨道振幅和月球飞越高度对转移轨道设计的影响，以及转移轨道的入轨相位分布。仿真结果表明：月球近旁转移轨道设计方案具备工程上的可行性与优越性。该方案可以为实际工程任务和应用提供参考。
- 地月L2点/
- 中继星/
- 月球近旁/
- 转移轨道
Abstract:The satellite on Earth-Moon L2 periodic orbit will provide communication relay for CE-4，China’s first Lunar landing exploration mission on the moon’s far side. The transfer orbit design plays an important role in the implementation of the relay mission. Considering the constrains on transfer time，flyby altitude and amplitude of the halo orbits，this paper systematically studies the Earth-Moon L2 transfer trajectory using Lunar flybys. First，based on the restricted three-body problem（RTBP），the visibility of the landing point with different families of halo orbits is analyzed. Then，the transfer orbit is divided into Earth-Moon direct transfer segment and quasi manifolds associated with halo orbits. The differential correction algorithm with state constraints is employed to match the two segments. Finally，aiming at southern family of halo orbits，the influence of orbit amplitude and Lunar flyby altitude on the cost of transfer as well as orbit insertion phase are discussed respectively. The simulation shows the feasibility and engineering advantages of lunar flyby transfer.
- Earth-Moon L2 point/
- relay satellite/
- Lunar flyby/
- transfer orbit

[1]	Farquhar R W. Lunar communications with libration-point satellites[J]. Journal of Spacecraft & Rockets,1967,4(10):1383-1384.
[2]	Farquhar R,Muhonen D,Richardson D. Mission design for a halo orbiter of the Earth[J]. Journal of Spacecraft & Rockets,1976,(14):170-177.
[3]	Hiday-Johnston L A,Howell K C. Impulsive time-free transfers between halo orbits[J]. Celestial Mechanics & Dynamical Astronomy,1996,64(4):281-303.
[4]	Parker J S,Born G H. Direct Lunar halo orbit transfers[J]. The Journal of the Astronautical Sciences,2008,56(4):441-476.
[5]	Hechler M. Launch windows for libration point missions[J]. Acta Astronautica,2009,64(2-3):139-151.
[6]	Parker J S. Families of low-energy Lunar halo transfers[J]. Advances in the Astronautical Sciences,2006(124):1-20.
[7]	Gordon D. Transfers to Earth-Moon L2 halo orbits using Lunar proximity and invariant manifolds[D]. West Lafayette:School of Aeronautics and Astronautics,Purdue University,2008.
[8]	李明涛. 共线平动点任务节能轨道设计与优化[D]. 北京:中国科学院研究生院,2010. Li M T. Low energy trajectory design and optimization for collinear libration points missions[D]. Beijing:Graduate School of Chinese Academy of Sciences,2010.
[9]	张景瑞,曾豪,李明涛. 不同月球借力约束下的地月halo轨道转移轨道设计[J]. 宇航学报,2016,37(2):159-168. Zhang J R,Zeng H,Li M T. A design method for Earth-Moon halo orbit transfer trajectory under different constraints to Moon gravity-assisted maneuvers[J]. Journal of Astronautics,2016,37(2):159-168.
[10]	Zeng H,Zhang J R. Design of impulsive Earth-Moon halo transfers:Lunar proximity and direct options[J]. Astrophysics & Space Science,2016,361(10):1-17.
[11]	徐明,徐世杰. 地月系L2点Lissajous轨道卫星对地月的跟踪规律研究[J]. 宇航学报,2008,29(1):59-65. Xu M,Xu S J. The tracking laws relative to Earth-Moon of spacecrafts on the Lissajous orbits around L2 point[J]. Journal of Astronautics,2008,29(1):59-65.
[12]	崔平远,乔栋,崔祜涛. 深空探测轨道设计与优化[M]. 北京:科学出版社,2013. Cui P Y,Qiao D,Cui H T. Design and optimization of deep space exploration trajectory[M]. Beijing:Science Press,2013.
[13]	刘林,侯锡云. 深空探测器轨道力学[M]. 北京:电子工业出版社,2012. Liu L,Hou X Y. Orbit dynamics of deep space probe[M]. Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2012.
[14]	Canalias E,Masdemont J J. Computing natural transfers between Sun-Earth and Earth-Moon Lissajous libration point orbits[J]. Acta Astronautica,2008,63(1):238-248.
[15]	Oliver M B,Eberhard G. 卫星轨道:模型、方法和应用[M]. 王家松,祝开建,胡小工,等,译. 北京:国防工业出版社,2012. Oliver M B,Eberhard G. Satellite orbits models,methods and applications[M]. Wang J S,Zhu K J,Hu X G,et al,translation. Beijing:National Defense Industry Press,2012.
[16]	刘磊,曹建峰,胡松杰,等. 地月平动点中继应用轨道维持[J]. 深空探测学报,2015,2(4):318-324. Liu L,Cao J F,Hu S J,et al. Maintenance of relay orbit about the Earth-Moon collinear libration points[J]. Journal of Deep Space Exploration,2015,2(4):318-324.
[17]	高玉东. 月球探测器地月空间转移轨道研究[D]. 长沙:国防科学技术大学,2008. Gao Y D. Study on the cis-Lunar transfer trajectory of the Lunar probe[D]. Changsha:National university of Defense Technology,2008.
[18]	周文艳,杨维廉. 嫦娥二号卫星轨道设计[J]. 航天器工程,2010,19(5):24-28. Zhou W Y,Yang W L. Orbit design for Chang'E-2 Lunar orbiter[J]. Spacecraft Engineering,2010,19(5):24-28.
[19]	周文艳,杨维廉. 月球探测器转移轨道的中途修正[J]. 宇航学报,2004,25(1):89-92. Zhou W Y,Yang W L. Mid-correction of trans-Lunar trajectory of Lunar explorer[J]. Journal of Astronautics,2004,25(1):89-92.

[1]	刘思语, 黄勇, 李培佳, 杨鹏.稀疏观测模式的“嫦娥四号”中继星轨道确定. 深空探测学报(中英文）, 2022, 9(1): 14-20.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210071
[2]	熊亮, 张磊.月球南极中继通信轨道仿真分析. 深空探测学报(中英文）, 2020, 7(3): 264-270.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191108006
[3]	郭朋真, 李博, 康冬鹏, 于思源, 王淇, 南方, 谭立英, 马晶.J₂轨道模型对月地激光通信预瞄准精度影响研究. 深空探测学报(中英文）, 2019, 6(6): 530-536.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.06.003
[4]	欧阳琦, 牛东文.“龙江2号”月球轨道微卫星定轨分析. 深空探测学报(中英文）, 2019, 6(3): 254-260.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.03.009
[5]	段建锋, 李勰, 李翠兰, 王兆魁.“嫦娥4号”中继星使命轨道段定轨计算与分析. 深空探测学报(中英文）, 2019, 6(3): 247-253.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.03.008
[6]	马传令, 刘勇, 梁伟光, 张尧.“嫦娥4号”中继星应急轨道控制策略设计与分析. 深空探测学报(中英文）, 2019, 6(3): 269-276.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.03.011
[7]	梁伟光, 刘磊, 刘勇, 马传令.地月L2点中继星长阴影影响研究. 深空探测学报(中英文）, 2019, 6(1): 52-56.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.01.008
[8]	汤章阳, 周成, 韩冬, 马雪, 陈涛.大功率轨道转移航天器全电推进系统研究. 深空探测学报(中英文）, 2018, 5(4): 367-373.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.007
[9]	徐进, 张爱兵, 贺一峰, 杨光文.“嫦娥4号”中继星中继通信方案研究与分析. 深空探测学报(中英文）, 2018, 5(6): 506-514.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.002
[10]	段建锋, 刘勇, 李勰, 陈明, 王兆魁.“嫦娥4号”中继星任务轨道确定问题初探. 深空探测学报(中英文）, 2018, 5(6): 531-538.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.005
[11]	高永飞, 王兆魁.微纳卫星L1点Halo轨道转移轨道设计. 深空探测学报(中英文）, 2017, 4(1): 72-76.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.011
[12]	梁伟光, 周文艳, 周建亮, 杨维廉.地月系L2平动点轨道长期维持过程研究. 深空探测学报(中英文）, 2017, 4(2): 166-170,183.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.010
[13]	安然, 王敏, 梁新刚.基于不变流形的地-月L2点转移轨道优化设计. 深空探测学报(中英文）, 2017, 4(3): 252-257.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.008
[14]	刘磊, 曹建峰, 胡松杰, 唐歌实.地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析. 深空探测学报(中英文）, 2017, 4(4): 361-366.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.008
[15]	唐明亮, 王颖, 张学功, 古艳峰, 卢亮亮.一种探月任务多窗口发射轨道设计方法. 深空探测学报(中英文）, 2017, 4(2): 118-121.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.003
[16]	吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, 张玮, 宁远明, 卢亮亮.“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计. 深空探测学报(中英文）, 2017, 4(2): 111-117.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.002
[17]	高珊, 周文艳, 梁伟光, 刘德成, 唐玉华, 杨维廉.地月拉格朗日L2点中继星轨道分析与设计. 深空探测学报(中英文）, 2017, 4(2): 122-129.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.004
[18]	彭祺擘, 贺波勇, 张海联.地月转移自由返回轨道偏差传播分析. 深空探测学报(中英文）, 2016, 3(1): 56-60.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.009
[19]	何胜茂, 彭超, 高扬.从日地系统L2出发借力月球飞越近地小行星. 深空探测学报(中英文）, 2016, 3(1): 18-28.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.003
[20]	刘磊, 曹建峰, 胡松杰, 唐歌实.地月平动点中继应用轨道维持. 深空探测学报(中英文）, 2015, 2(4): 318-324.doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.04.004

点击查看大图

计量

文章访问数:2949
HTML全文浏览量:111
PDF下载量:2296
被引次数:0

留言板

地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.010

Design of Earth-Moon L2 Halo Orbit Transfer Trajectory for Relay Satellite Using Lunar Flybys

计量

地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.010

1. bob手机在线登陆宇航学院, 北京 100081;深空探测自主导航与控制工业与信息化部重点实验室, 北京 100081
2. bob手机在线登陆宇航学院, 北京 100081

English Abstract

Design of Earth-Moon L2 Halo Orbit Transfer Trajectory for Relay Satellite Using Lunar Flybys

全文HTML

目录

留言板

地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.010

Design of Earth-Moon L2 Halo Orbit Transfer Trajectory for Relay Satellite Using Lunar Flybys

计量

出版历程

地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.010

1. bob手机在线登陆 宇航学院, 北京 100081;深空探测自主导航与控制工业与信息化部重点实验室, 北京 1000812. bob手机在线登陆 宇航学院, 北京 100081

English Abstract

Design of Earth-Moon L2 Halo Orbit Transfer Trajectory for Relay Satellite Using Lunar Flybys

全文HTML

目录

1. bob手机在线登陆宇航学院, 北京 100081;深空探测自主导航与控制工业与信息化部重点实验室, 北京 100081
2. bob手机在线登陆宇航学院, 北京 100081