地月平动点中继导航星座应用的轨道动力学理论与方法

Theory and methods of orbital mechanics are investigated for the future application of the relay and navigation constellation of the Earth-Moon libration points. Aiming at requirements on relay communication, lunar surface positioning and autonomous navigation of the future lunar and deep space exploration, the study is conducted to solve the key issues of the relay and navigation constellation of the Earth-Moon libration points: the optimal constellation construction, long-term maintenance and end-of-life disposal. Therefore, the research focuses are the optimal transfer to the Earth-Moon L3-L5 points, the optimal transfer and injection method of multi constellation satellites by a single launch, optimal control theory with multi targets and constraints of the Earth-Moon libration orbit, theory and methods of relative maintenance with the optimal constellation performance, methods of end-of-life disposal including return to the Earth-Moon space, flying-by or capture assistance or hazard elimination of the small celestial bodies..The application can directly provide the technical proposal for the relay communication satellite of the Earth-Moon libration point in the Chinese lunar farside exploration, i.e., the ‘CHANG’E-4’ mission. Moreover, the research can support building, operation and disposal of the future relay and navigation constellation of the Earth-Moon libration points. Furthermore, the fruitful academic results and some innovative idea are expected according to the researches, including the orbit theory of the Earth-Moon libration point, theory and methods of design and control of the Earth-Moon libration orbit, and end-of-life disposal of the Earth-Moon libration mission.

本项目拟开展地月平动点中继导航星座应用的轨道动力学理论与方法研究，面向我国未来月球和深空探测的中继通信、月面定位和自主导航等需求，解决地月平动点中继导航星座实现和应用的关键问题——最优布设、长期维持和任务末期处置，重点研究地月L3-L5点导航星的转移轨道优化设计、地月平动点多中继导航星单次最优布设方法、地月平动点轨道维持的多目标多约束最优控制理论、地月平动点星座整体性能最优的相对维持控制理论与方法、地月平动点中继导航星任务末期的地月返回处置方法以及小天体飞越探测、协助捕获与威胁消除等处置方法。.本项目可以直接为我国“嫦娥四号”月球背面探测任务的地月平动点中继通信卫星提供相关技术方案，以及构建未来地月平动点中继导航星座应用的理论与技术体系。同时，在地月平动点轨道动力学理论、地月平动点轨道设计和控制理论与方法、地月平动点任务末期处置等方面，提出创新思想与方法，取得丰硕学术成果。

本项目面向我国未来月球和深空探测的中继通信、月面定位和自主导航等需求，研究了地月平动点中继导航星座应用的轨道动力学理论与方法，基本解决了地月平动点中继导航星座实现和应用的关键问题——最优布设、长期维持和任务末期处置，重点研究了地月平动点导航星的转移轨道优化设计、地月平动点多中继导航星单次最优布设方法、地月平动点轨道维持的最优控制方法、地月平动点中继导航星任务末期的地月返回处置方法和小天体飞越探测等处置方法。同时，面向我国后续月球和空间探测任务，开展了地月平动点相关应用研究。.基于本项目研究成果，为我国月球背面探测任务的地月平动点中继通信卫星“鹊桥”和“嫦娥五号”轨道器拓展任务提供了关键技术支撑，前者在国际上率先实现地月平动点实际应用零的突破，后者实现了我国首次日地L1点飞行。在地月平动点轨道的动力学理论、设计与控制、任务末期处置等方面，提出了一些创新思想和方法，初步构建了地月平动点中继导航星座应用的理论与技术体系。围绕项目研究，在国内外学术期刊和会议上发表了学术论文，申请了发明专利，并获得多项科技进步奖励，取得了较为丰硕的理论研究成果，较好地完成了本项目研究目标。.鉴于平动点轨道动力学特性的复杂性，以及后续月球和深空探测任务对平动点轨道技术的强烈需求，项目组后续拟计划围绕部分内容开展进一步深入研究，力争取得更多理论和学术成果。此外，拟重点开展相关轨道技术和方法在我国月球和深空探测任务中的应用与推广，为解决任务中的轨道问题提出平动点相关解决思路，有效提升自然科学基金成果向实际生产力的转化程度，切实推动我国空间科学与应用事业整体达到国际领先水平。