远距离逆行轨道上的近距离自然及受控编队

doi:10.7527/S1000-6893.2021.26563

电子电气工程与控制

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远距离逆行轨道上的近距离自然及受控编队

杨驰航¹^,², 符弘岚¹^,², 张皓²()

^1.中国科学院空间应用工程与技术中心太空应用重点实验室，北京 100094
^2.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2021-10-25 修回日期:2021-11-29 接受日期:2021-12-19 出版日期:2023-03-15 发布日期:2021-12-24
通讯作者: 张皓 E-mail:hao.zhang.zhr@gmail.com
基金资助:
中国科学院重点部署项目(ZDRW-KT-2019-1-0102)

Natural and non-natural close formation flight on distant retrograde orbits

Chihang YANG¹^,², Honglan FU¹^,², Hao ZHANG²()

^1.Key Laboratory of Space Utilization，Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2021-10-25 Revised:2021-11-29 Accepted:2021-12-19 Online:2023-03-15 Published:2021-12-24
Contact: Hao ZHANG E-mail:hao.zhang.zhr@gmail.com
Supported by:
Key Deployment Program of the Chinese Academy of Sciences(ZDRW-KT-2019-1-0102)

摘要/Abstract

摘要：

远距离逆行轨道（DROs）是地月空间中一族稳定的周期轨道，适用于地月空间站等长期任务。为维持任务的长期存在，交会对接及编队飞行等任务是必要的。因此有必要分析远距离逆行轨道上的近距离相对运动解，并进行编队设计。首先，基于Floquet理论得到了远距离逆行轨道上的近距离线性化相对运动的基础解集，并对其解进行了分类与分析。其次，以基础解集中的自然周期解为基础设计了伴飞编队，并对其特性进行了全面分析。之后，针对圆形受控绕飞编队做了详细的分析，可用于指导后续受控编队的设计。最后，设计了两点之间的安全转移编队，可用于任意两点之间的转移，并保证转移过程中主星与副星之间具有足够的安全距离。

关键词: 圆型限制性三体问题, 远距离逆行轨道, 相对运动, 编队设计, Floquet理论

Abstract:

Distant Retrograde Orbits （DROs） are a kind of periodic orbits in the Earth-Moon system. DROs are appropriate for long-term missions due to favorable stability. Rendezvous and docking is a basic technology for the supplement of long-term missions， as well as close formation flying for some flying-around tasks. It is thus needed to analyze the close relative motion in DROs and furthermore develop close formation designs. Based on the Floquet theory， a fundamental solution for linear relative dynamics in DROs is obtained. A natural formation is designed based on the natural periodic solution for the linear relative dynamics. Characteristics of the natural formation are analyzed. Moreover， non-natural formations for fast circumnavigate is designed with impulse maneuvers. The fuel consumption of different types of circular reference orbits are analyzed to guide formation designs. Finally， a type of reference trajectories is designed for transfer between two arbitrary positions with safety guaranteed.

Key words: circular restricted threebody problem, distant retrograde orbits, relative motion, formation design, Floquet theory

中图分类号:

V412

杨驰航, 符弘岚, 张皓. 远距离逆行轨道上的近距离自然及受控编队[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 326563-326563.

Chihang YANG, Honglan FU, Hao ZHANG. Natural and non-natural close formation flight on distant retrograde orbits[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(5): 326563-326563.

图/表 20

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参考文献 27

1	CLOHESSY W H， WILTSHIRE R S. Terminal guidance system for satellite rendezvous［J］. Journal of the Aerospace Sciences， 1960， 27（9）： 653-658.
2	罗亚中. 空间最优交会路径规划策略研究［D］. 长沙：国防科学技术大学， 2007： 1-2.
	LUO Y Z. Study on space optimal rendezvous trajectory planning approach［D］. Changsha： National University of Defense Technology， 2007： 1-2 （in Chinese）.
3	詹虎. 载人航天工程巡天空间望远镜大视场多色成像与无缝光谱巡天［J］. 科学通报， 2021， 66（11）： 1290-1298.
	ZHAN H. The wide-field multiband imaging and slitless spectroscopy survey to be carried out by the survey space telescope of China manned space program［J］. Chinese Science Bulletin， 2021， 66（11）： 1290-1298 （in Chinese）.
4	TĂIATU C M. The space race on sustainability： Business and legal challenges for on-orbit-servicing［C］∥ On-Orbit Servicing： Next Generation of Space Activities. Berlin： Springer， 2020： 91-121.
5	XU M， WANG Y， XU S J. On the existence of J₂ invariant relative orbits from the dynamical system point of view［J］.Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy， 2012， 112（4）： 427-444.
6	DANG Z H， ZHANG H. Linearized relative motion equations through orbital element differences for general Keplerian orbits［J］. Astrodynamics， 2018， 2（3）： 201-215.
7	彭超，温昶煊，高扬. 地月空间DRO与HEO（3∶1/2∶1）共振轨道延拓求解及其稳定性分析［J］. 载人航天， 2018， 24（6）： 703-718.
	PENG C， WEN C X， GAO Y. DRO and HEO （3∶1/2∶1） resonant orbits in cislunar space calculated by continuation and their stability analysis［J］. Manned Spaceflight， 2018， 24（6）： 703-718 （in Chinese）.
8	WHITLEY R， MARTINEZ R. Options for staging orbits in cislunar space［C］∥ 2016 IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE Press， 2016： 1-9.
9	BEZROUK C， PARKER J S. Long term evolution of distant retrograde orbits in the Earth-Moon system［J］. Astrophysics and Space Science， 2017， 362（9）： 176.
10	SCHEERES D J， HSIAO F Y， VINH N X. Stabilizing motion relative to an unstable orbit： Applications to spacecraft formation flight［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2003， 26（1）： 62-73.
11	JUNG S. Formation flying along unstable libration point orbits using switching Hamiltonian structure-preserving control［J］. Acta Astronautica， 2019， 158： 1-11.
12	HOWELL K C. Control of satellite imaging formations in multi-body regimes［J］. Acta Astronautica， 2009， 64（5-6）： 554-570.
13	李鹏. 拉格朗日点附近编队飞行动力学与控制方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2009： 65-69.
	LI P. Study on dynamics and control of spacecraft formation flying near Lagrange point［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2009： 65-69 （in Chinese）.
14	GARCIA-TABERNER L. FEFF methodology for spacecraft formations reconfiguration in the vicinity of libration points［J］. Acta Astronautica， 2010， 67（7-8）： 810-817.
15	PENG H J， LI C. Bound evaluation for spacecraft swarm on libration orbits with an uncertain boundary［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2017， 40（10）： 2690-2698.
16	PERNICKA H J， CARLSON B A， BALAKRISHNAN S N. Spacecraft formation flight about libration points using impulsive maneuvering［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2006， 29（5）： 1122-1130.
17	QI R， XU S J， XU M. Impulsive control for formation flight about libration points［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2012， 35（2）： 484-496.
18	GÓMEZ G， MARCOTE M， MASDEMONT J J， et al. Zero relative radial acceleration cones and controlled motions suitable for formation flying［J］. The Journal of the Astronautical Sciences， 2005， 53（4）： 413-431.
19	HÉRITIER A. Dynamical evolution of natural formations in libration point orbits in a multi-body regime［J］. Acta Astronautica， 2014， 102： 332-340.
20	HOWELL K C， MARCHAND B G. Natural and non-natural spacecraft formations near the L1 and L2 libration points in the Sun-Earth/Moon ephemeris system［J］. Dynamical Systems， 2005， 20（1）： 149-173.
21	SIMANJUNTAK T， NAKAMIYA M， KAWAKATSU Y. Design of natural loose formation flying around halo orbits［J］. Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences， 2012， 55（4）： 254-262.
22	周敬，胡军，张斌. 圆型限制性三体问题相对运动解析研究［J］. 宇航学报， 2020， 41（2）： 154-165.
	ZHOU J， HU J， ZHANG B. Analytical solutions for relative motion in the circular restricted three-body problem［J］. Journal of Astronautics， 2020， 41（2）： 154-165 （in Chinese）.
23	FRANZINI G， INNOCENTI M. Relative motion dynamics in the restricted three-body problem［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2019， 56（5）： 1322-1337.
24	CONTE D， SPENCER D B. Preliminary study on relative motion and rendezvous between spacecraft in the restricted three-body problem： AAS 16-369［R］ Washington， D.C.： AAS， 2016.
25	UEDA S， MURAKAMI N， IKENAGA T. A study on rendezvous trajectory design utilizing invariant manifolds of cislunar periodic orbits： AIAA-2017-1729［R］. Reston： AIAA， 2017.
26	陈冠华，杨驰航，张晨，等. 地月空间的远距离逆行轨道族及其分岔研究［J］. 北京航空航天大学学报， 2022，48（12）：2576-2588.
	CHEN G H， YANG C H， ZHANG C， et al. Distant retrograde orbits and its bifurcations in Earth-Moon system［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2022，48（12）：2576-2588 （in Chinese）
27	CARMEN C. Ordinary differential equations with applications［M］. New York： Springer， 2020： 187-224.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	王亚宁, 王辉, 林德福, 袁亦方. 基于虚拟视角约束的机动目标拦截制导方法[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 324799-324799.
[2]	姚慕伟, 贾伯琦, 杨立军, 富庆飞. 气流速度振荡场中幂律液膜不稳定性分析[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 123873-123873.
[3]	程晗, 陈维义, 谢芝亮. 平台摇摆对卡尔曼滤波跟踪精度的影响[J]. 航空学报, 2017, 38(6): 320589-320589.
[4]	张文博, 成跃, 王宁飞. 地月系统循环轨道初步设计与特性分析[J]. 航空学报, 2015, 36(7): 2197-2206.
[5]	于浛, 魏喜庆, 宋申民, 刘铭. 基于自适应容积卡尔曼滤波的非合作航天器相对运动估计[J]. 航空学报, 2014, 35(8): 2251-2260.
[6]	吴锦杰, 刘昆, 韩大鹏. 考虑输入饱和的航天器相对运动鲁棒自适应控制[J]. 航空学报, 2013, 34(4): 890-901.
[7]	殷建丰;贺泉;韩潮. 基于相对轨道要素的航天器相对运动碰撞分析[J]. 航空学报, 2011, 32(2): 311-320.
[8]	韩潮, 殷建丰. 基于相对轨道要素的椭圆轨道卫星相对运动研究[J]. 航空学报, 2011, 32(12): 2244-2258.
[9]	张彦梅;陆启韶. 非稳态油膜力作用下转子振动的分岔与稳定性分析[J]. 航空学报, 2003, 24(1): 36-38.

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