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“天问一号”火星探测器制动捕获最优点火姿态设计

信思博,赵训友,郑艺裕,马瑞

信思博, 赵训友, 郑艺裕, 马瑞. “天问一号”火星探测器制动捕获最优点火姿态设计[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
引用本文: 信思博, 赵训友, 郑艺裕, 马瑞. “天问一号”火星探测器制动捕获最优点火姿态设计[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
XIN Sibo, ZHAO Xunyou, ZHENG Yiyu, MA Rui. Optimal Firing Attitude Design for Mars Probe “Tianwen-1” Braking and Capture[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
Citation: XIN Sibo, ZHAO Xunyou, ZHENG Yiyu, MA Rui. Optimal Firing Attitude Design for Mars Probe “Tianwen-1” Braking and Capture[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002

“天问一号”火星探测器制动捕获最优点火姿态设计

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
基金项目:国家自然科学基金(11672145)
详细信息
    作者简介:

    (1987− ),男,高级工程师,主要研究方向:航天器先进姿态控制技术和遥感定位技术。通讯地址:上海市闵行区元江路3666号(200240)电话:(021)24230741E-mail:jobsu27@163.com

  • ● Determine the thrust direction with optimal fuel. ● Maximum arc length constraint for multiple star sensors. ● Analysis of braking acquisition attitude under multiple constraints.
  • 中图分类号:TP394.1;TH691.9

Optimal Firing Attitude Design for Mars Probe “Tianwen-1” Braking and Capture

  • 摘要:针对中国首次自主火星探测任务“天问一号”(Tianwen-1)的火星捕获制动期间点火姿态设计最优化问题,提出了整器约束条件下的分析思路和解决方法。首先建立捕获阶段的轨道动力学模型,根据捕获前轨道和捕获后的目标轨道以燃料消耗最少为优化目标,使用牛顿迭代法寻优解出轨道平面内最佳的推力方向和点火时刻,得到推力矢量。再结合探测器的光照、测控约束条件,确定了绕推力方向的偏转范围。最后参考星敏感器布局,对全过程不同偏转角度下星敏受天体遮挡情况进行分析,计算出星敏可用台数以及可用时长,按照可用时长最优的原则确定出最优的点火姿态。在轨实际制动捕获结果表明,轨控后半长轴偏差小于947.122 km(半长轴变化量102 346.152 km),偏心率偏差小于0.002 1,同时全程满足整器测控、光照的需求,捕获全过程中保持任意时刻至少有2台星敏可用,根据遥测结果对比星敏的可用时段仿真误差小于0.225 h。
    Highlights
    ● Determine the thrust direction with optimal fuel. ● Maximum arc length constraint for multiple star sensors. ● Analysis of braking acquisition attitude under multiple constraints.
  • 图 2探测器本体系

    Fig. 2Body coordinate of Probe

    图 3制动捕获轨道示意

    Fig. 3Braking to capture orbit

    图 1火星平赤道坐标系

    Fig. 1Mars mean equatorial coordinate

    图 4参数寻优策略递推流程

    Fig. 4Recursive process of parameter optimization strategy

    图 5捕获过程

    Fig. 5Capture process

    图 6帆板高度角与姿态偏置角曲线

    Fig. 6Curve of SODA board angle and attitude offset angle

    图 7天线波束覆盖情况

    Fig. 7Antenna beam coverage

    图 8星敏布局

    Fig. 8Star sensor layouts

    图 9星敏可用时间

    Fig. 9Star sensor availability time

    图 10星敏光轴与器火矢量夹角(姿态偏置40°)

    Fig. 10Angle between optical axis of star sensor and vector of probe-Mars

    图 11半长轴和偏心率变化

    Fig. 11Change of semi-major axis and eccentricity

    图 12星敏可用标志状态

    Fig. 12Status of star sensor available flag

    图 13捕获段星敏与火星视场关系

    Fig. 13Relationship between star sensor and field of view of Mars for braking and capture

    图 14捕获段天线覆盖情况

    Fig. 14Antenna coverage of Mars for braking and capture

    表 1轨控前后轨道参数(火心惯性系)

    Table 1Parameters before and after orbit control (Mars inertial coordinate)

    历元 a/km e i/(°) Ω/(°) ω/(°) f/(°)
    变轨前 UTC2021,2,10,12,0,0 –695 6.475 27 1.545 61 10.999 9 176.981 115.368 137 0.00
    变轨后 961 71.055 7 0.960 53 10.999 9 176.981 115.368 137 0.00
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    表 2迭代参数

    Table 22 Iteration parameters

    初始质量/kg 推力/N 比冲/s 初始近点角/(°) 初始推力方向角/(°)
    4 461.4 3 000 312 –48 3
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    表 3最优轨控策略

    Table 33 Optimal orbit control strategy

    近点角/(°) 推力方向角/(°) 推力矢量 轨控时长/s 燃料消耗/kg
    34.69 0.06 –0.365417 895 953.356
    –0.91702
    –0.159828
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    表 4星敏光学参数

    Table 44 Star sensor optical parameter

    光轴矢量(本体系投影) 视场角
    星敏A –0.5 –0.49673 –0.709406 20°
    星敏B 0.5 0.53318 –0.68244 20°
    星敏C –0.86603 –0.5 0 20°
    星敏D –0.86603 0.5 0 20°
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    表 5轨道参数变化

    Table 5Change of orbital parameters

    Δa/km Δe Δi/(°) ΔΩ/(°) Δω/(°) ΔM/(°)
    变化量 102 346.152 –0.588 31 –0.005 19 0.047 28 –0.101 59 0.00
    轨控偏差 947.122 1.89 × 10–5 2.104 × 10–3 2.481 × 10–3 1.724 × 10–3 2.773 5 × 10–4
     注:①为控后24 h的测定轨结果
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    表 6星敏工作时段

    Table 66 Star sensor working hours

    星敏 开始受遮挡时刻/(h) 结束受遮挡时刻/(h)
    仿真 实际 偏差 仿真 实际 偏差
    星敏A 1.698 1.883 0.185 2.191 2.102 –0.089
    星敏B 2.125 2.349 0.224 2.303 2.382 0.079
    星敏C 1.510 1.452 –0.058 2.117 2.102 –0.015
    星敏D 0.226 0.215 6 –0.010 4 2.117 2.102 –0.015
     注:表中的时刻均以BJT2021-2-10-17-30-0为零点,相对该点的相对时刻。
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出版历程
  • 收稿日期:2022-01-06
  • 修回日期:2022-07-13
  • 网络出版日期:2023-03-11

“天问一号”火星探测器制动捕获最优点火姿态设计

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
    基金项目:国家自然科学基金(11672145)
    作者简介:

    (1987− ),男,高级工程师,主要研究方向:航天器先进姿态控制技术和遥感定位技术。通讯地址:上海市闵行区元江路3666号(200240)电话:(021)24230741E-mail:jobsu27@163.com

  • ● Determine the thrust direction with optimal fuel. ● Maximum arc length constraint for multiple star sensors. ● Analysis of braking acquisition attitude under multiple constraints.
  • 中图分类号:TP394.1;TH691.9

摘要:针对中国首次自主火星探测任务“天问一号”(Tianwen-1)的火星捕获制动期间点火姿态设计最优化问题,提出了整器约束条件下的分析思路和解决方法。首先建立捕获阶段的轨道动力学模型,根据捕获前轨道和捕获后的目标轨道以燃料消耗最少为优化目标,使用牛顿迭代法寻优解出轨道平面内最佳的推力方向和点火时刻,得到推力矢量。再结合探测器的光照、测控约束条件,确定了绕推力方向的偏转范围。最后参考星敏感器布局,对全过程不同偏转角度下星敏受天体遮挡情况进行分析,计算出星敏可用台数以及可用时长,按照可用时长最优的原则确定出最优的点火姿态。在轨实际制动捕获结果表明,轨控后半长轴偏差小于947.122 km(半长轴变化量102 346.152 km),偏心率偏差小于0.002 1,同时全程满足整器测控、光照的需求,捕获全过程中保持任意时刻至少有2台星敏可用,根据遥测结果对比星敏的可用时段仿真误差小于0.225 h。

注释:
1) ● Determine the thrust direction with optimal fuel. ● Maximum arc length constraint for multiple star sensors. ● Analysis of braking acquisition attitude under multiple constraints.

English Abstract

信思博, 赵训友, 郑艺裕, 马瑞. “天问一号”火星探测器制动捕获最优点火姿态设计[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
引用本文: 信思博, 赵训友, 郑艺裕, 马瑞. “天问一号”火星探测器制动捕获最优点火姿态设计[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
XIN Sibo, ZHAO Xunyou, ZHENG Yiyu, MA Rui. Optimal Firing Attitude Design for Mars Probe “Tianwen-1” Braking and Capture[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
Citation: XIN Sibo, ZHAO Xunyou, ZHENG Yiyu, MA Rui. Optimal Firing Attitude Design for Mars Probe “Tianwen-1” Braking and Capture[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220002
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