环绕类地行星的典型应用轨道研究

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1、环绕类地行星的典型应用轨道研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：航天航空学院学科：航空宇航科学与技术研究生：吴志刚指导教师：李俊峰教授二○一五年十二月StudyonTypicalAppliedOrbitsaroundTerrestrialPlanetsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinAeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologybyWuZhi

2、gangDissertationSupervisor:ProfessorLiJunfengDecember,2015摘要摘要环绕轨道是对类地行星进行近距离连续观测的首选轨道。本文主要以类地行星的环绕轨道为背景，研究了轨道摄动、人工轨道、摄动对编队轨道构形影响和应用轨道优化等四个方面的内容。论文首先采用轨道摄动理论对航天器环绕类地行星的轨道运动进行了分析,比较了环绕水星、金星、地球和火星的航天器所受的主要摄动力。同时，针对太阳同步轨道、临界轨道、冻结轨道等典型应用轨道，用解析方法研究了类地行星的环绕动力学，并且分析了这些应用轨道的主要特性与环绕地球的同类型轨道特性的差异。对于人工轨道控制

3、，主要研究了利用连续小推力实现环绕类地行星太阳同步轨道、冻结轨道以及太阳同步冻结轨道的轨道根数任意选择的可行性。考虑了类地行星非球形引力摄动的主要带谐项（J2，J3，J4项）影响，推导了不同控制策略中控制力和速度增量的计算方法，采用能量消耗较少的控制策略设计了环绕水星、金星、地球和火星等类地行星的太阳同步轨道、冻结轨道以及太阳同步冻结轨道，结果表明连续小推力控制方法可用于环绕类地行星太阳同步轨道、冻结轨道以及太阳同步冻结轨道的设计。对于摄动对编队轨道构形影响，推导了编队构形参数中的沿航迹距离和垂直轨道面方向运动振幅与编队航天器经典轨道根数之间的关系，分析了一阶、二阶长期摄动对编队构形的

4、影响，提出了通过半长轴修正减小影响的控制方法，并以环绕水星、金星、地球和火星的航天器编队为例进行了仿真，比较了半长轴修正量的大小，结果表明控制方法有效。关于环绕类地行星的应用轨道优化问题，采用基于分解的多目标优化方法建立了算法框架，并以环绕火星的航天器轨道优化为例进行了仿真分析，验证了方法的有效性。针对仿真中出现的评估时间较长、搜索代价较高的问题，采用高斯过程模型辅助求解多目标高代价优化问题，描述了主要算法框架，并给出了仿真算例。关键词：类地行星；人工轨道；连续小推力；编队构形；轨道优化IAbstractAbstractOrbitsaroundthecenterarepreferenc

5、etocloseandcontinuousobservationstoterrestrialplanets.Withthebackgroundoforbitsaroundterrestrialplanets,thisthesisstudiesorbitperturbations,artificialorbits,theinfluenceofperturbationsonspacecraftformationconfiguration,andoptimizationofutilityorbits.Firstly,orbitsaroundterrestrialplanetsareinves

6、tigatedbyusingperturbationtheory,andthemajorperturbationssufferedbyspacecraftorbitingMercury,Venus,theEarth,andMarsarecompared,respectively.Byusinganalyticalmethods,thedynamicsofseveraltypicalorbitsaroundterrestrialplanetsareanalyzed:Sun-synchronousorbit,thecriticalinclinationorbit,andfrozenorbi

7、t.ThedifferencesofkeypropertybetweentheutilityorbitsaroundterrestrialplanetsandtheEarthareanalyzed.Forartificialorbits,thefeasibilityofusingcontinuouslowthrusttoarbitrarilydesigntheorbitalparametersofSun-synchronousorbits,fr