内行星航天器环绕轨道电推进控制研究

Due to the influence of the strong gravity from the Sun, frequent station-keeping must be performed for orbit around inferior planet (Mercury and Venus). Chemical propulsion has significant propellant consumption and low control accuracy, which are undesirable for Inferior planet missions. Electric propulsion, which can effectively avoid these disadvantages, will perform better at orbit controls. However, there is no precedent for the using of the electric propulsion at long time station-keeping in deep space exploration. In this project, analytical theory is employed in the investigation of electric propulsion control of orbit around inferior planet with big influences of third-body gravity from the Sun. First, a station-keeping control law that can satisfy the constraints of electric propulsion is proposed. Second, orbit transfer strategy with low computational complexity is studied for on-board optimization. At last, an integrated programming of orbital control is executed according to the results of station-keeping and orbit transfer. This project aims at providing a possible electric propulsion solution of orbit control around inferior planet, and gives a technical support to Chinese future deep space missions.

环绕内行星（水星和金星）的航天器受到强大的太阳引力作用，需要频繁进行轨道维持。若采用传统的化学推进系统不仅燃料消耗巨大且控制精度低，不利于科学探测任务的实施。电推力器可有效克服上述缺点，是对环绕轨道进行控制的理想执行机构。然而，深空探测中并无应用电推进对环绕轨道进行长期控制的先例。本项目特别针对太阳第三体引力影响，着重利用理论手段解决电推进下的内行星环绕轨道控制问题。首先，对内行星环绕轨道特性进行深入分析，提出一种满足电推进控制约束的轨道保持控制策略。然后，针对不同类型环绕轨道间的轨道转移问题，提出有利于航天器上自主计算寻优的轨道转移制导和优化算法。最后，考虑航天任务的实际需求，综合轨道维持、轨道转移的具体研究成果对航天器环绕内行星的科学探测轨道进行整体规划。本项目旨在为内行星探测提供一套符合航天任务需求的电推进环绕轨道控制解决方案，为我国未来的深空探测提供技术储备。

环绕内行星（水星和金星）的航天器受到强大的太阳引力作用，需要频繁进行轨道控制。若采用传统的化学推进系统不仅燃料消耗巨大且控制精度低，不利于科学探测任务的实施。电推力器可有效克服上述缺点，是对环绕轨道进行控制的理想执行机构。然而，深空探测中并无应用电推进对环绕轨道进行长期控制的先例。对此，本项目从电推进环绕轨道转移，以及科学轨道维持控制两个方面加以研究。首先，对三体摄动下的环绕轨道的电推进转移控制策略进行研究，给出了适于星载计算机运算的小计算量转移控制算法，仅通过进行有限参数的寻生成轨道转移策略，对初值敏感度更低，且具有较快的收敛速度。然后，针对椭圆轨道航天器近/远地点的星下点对全球或特定纬度区域的访问问题，提出了一种连续小推力下的对地覆盖控制策略。针对燃料消耗的优化问题，将控制方程展开成含傅里叶级数的形式，用以获得便于星上计算的解析形式的次优解，同时探讨了截取阶数与优化程度的关系。在进行拱线控制的同时，通过合理设置约束，对椭圆轨道的近地点高度进行保护，确保卫星安全运行。此外，对电推进在轨角动量卸载的实际问题也进行了深入的探讨。在给定推力器开机位置、时长和动量轮目标卸载量的情况下，提出了正常模式和故障模式下的角动量卸载算法。通过对推力模型的简化，得出了推力器最优偏转方向的解析解。所提出的卸栽算法能够在进行轨道保持的同时完成角动量卸载，为电推进卫星的在轨控制策略提供了有效解决方案。本项目在电推进控制、深空探测、对地观测轨道设计等领域取得实际成果，我国未来的航天任务提供技术储备。