摘要
火星及其天然卫星火卫一在深空探测领域的重要性日渐显现.由于火星强烈的三体引力摄动,传统二体问题下的受摄开普勒轨道在火卫一的邻近区域无法存在,研究探测器在火卫一邻近区域的轨道运动时,需要建立限制性多体问题模型.为提高现有轨道模型精度,在火卫一本体系建立了一种考虑星历的限制性多体动力学模型.该模型考虑的因素有:考虑真实星历、真实姿态运动与多面体引力势的火卫一引力;考虑J2项的火星三体引力摄动;太阳,地球及木星的三体引力摄动.在保留上述高精度模型主要特征的基础上,为减小数值仿真计算量,对该模型进行简化,提出了考虑火卫一简谐天平动和球谐引力势的椭圆型限制性三体问题模型.在两种模型和现有动力学模型中,对准卫星轨道进行仿真,分析了轨道的形状和星下点轨迹,证实了本文提出的两种模型在轨道设计中的必要性.
随着我国火星探测计划的实
由于火卫一的质量与体积都很小,距离火星很近,在火星强烈的三体引力摄动下,它的Hill球十分接近星体表面,稳定运行于火卫一邻近区域的经典受摄Kepler轨道几乎不存在.因此,在火卫一探测任务设计中需要使用限制性多体问题模型.根据前人的研究成果,某些三体问题中存在的轨道,如准卫星轨道(Quasi-Satellite Orbits, QSOs)以及平动点轨道(Libration Point Orbits, LPOs)等,也存在于火卫一邻近区域
关于火卫一邻近区域轨道运动的研究,最早是在圆型限制性三体问题(Circular Restricted Three-Body Problem, CRTBP)中进行的.Jansson在他的硕士论文中,应用庞加莱截面方法,对火卫一和火卫二邻近区域的QSO稳定性进行了探
然而,目前考虑火卫一多面体引力势的ERTBP模型中假设火卫一处于匀速转动状态,忽略了其受迫天平动和转动角速度的变化,将引入较大的模型误差.特别是在高精度的观测和着陆轨道设计中,探测器在火卫一本体系中的相对位置极为关键.此外,由于火星扁率的摄动作用,火卫一轨道在惯性空间中也在发生进动,现有基于椭圆型限制性三体问题的模型精度有待进一步提高.
本文建立了考虑星历与火卫一天平动的限制性多体轨道动力学模型.火卫一、火星以及其他天体的实时位置由JPL的Mars097以及DE435星历模型进行计算,火卫一近似为由16037个节点构成的多面体,由均质多面体的引力势公式确定其引力场,其自转运动由IAU于2018年和2019年发布的天体坐标系统与旋转参数报告中的结果计算得
目前在研究火卫一附近的轨道动力学问题时,火卫一环绕火星的运动轨迹常被视为椭圆,而火卫一自转视为匀速,天平动不加以考虑.这种考虑次级天体公转偏心率的动力学模型被称为椭圆型限制性三体问题模型(ERTBP).在计算火卫一的引力场时,番绍炳等和Scheeres等都采用了多面体引力势模
在多面体椭圆模型中,火卫一的自转天平动被忽略.质点在系统中的绝对加速度来自于火星和火卫一的引力.番绍炳在其文章中给出了该模型下飞行器在火卫一本体坐标系中的运动方程,如方程(1)所
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式中的为火卫一自转角速度矢量,指向火卫一本体系的z轴方向;和分别是火星与火卫一对飞行器的引力加速度;是火星对火卫一的引力加速度;与分别是飞行器相对旋转参考系的离心加速度与科氏加速度.多面体椭圆模型中火卫一的引力加速度采用了Scheeres的匀质不规则多面体引力势模
为进一步提高模型精度,本文在多面体椭圆模型基础上,考虑火星、火卫一在惯性空间的真实星历,以及火卫一自转的天平动,还考虑了火星的J2项引力摄动和太阳、木星以及地球的三体引力摄动,建立了考虑星历的限制性多体问题模型.本文将该模型简称为星历多体模型(N-body problem with ephemeris and physical libration, NBP-EL).
考虑火卫一本体坐标系有如下的特征: 某时刻,火卫一在惯性空间的加速度矢量为,瞬时姿态角速度矢量为,角加速度矢量为,在其本体系中的质点,若不考虑质点对其他天体的影响,动力学方程如方程(2)所示.
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式中,表示质点相对火卫一本体系的位置矢量,表示质点所有绝对加速度矢量之和,是参考系角加速度产生的加速度矢量,与分别表示质点的科氏加速度和离心加速度,形式如
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建立方程(2)形式的星历多体模型需要确定火卫一的姿态运动.在2018年和2019年,IAU工作小组给出了火卫一在惯性空间中的旋转姿态参
火卫一引力场采用多面体引力场模型.根据Scheeres的引力势公
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其中,是只与多面体形状有关的矩阵,是万有引力常数,本文取6.67×1
计算火星对质点与火卫一的引力加速度时,包含J2项的火星引力势可表示为
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式中的表示火星的标称半径,取3389.5km,J2取1.96045×1
对于太阳、木星与地球的引力加速度,本文按中心引力场进行求解,各天体在惯性系中的位置由JPL的DE435星历计算得到.
星历多体模型是一种拟真度较高的动力学模型,它对火卫一附近的动力学要素做了尽可能真实的还原和模拟,是仿真验证飞行器在火卫一邻近区域运动轨迹的重要工具.但是,星历多体模型中的天体位置和火卫一天平动都是与仿真时刻相关的,模型不具有周期性,无法反映系统固有的近似周期特性.而且多面体引力势模型计算量比较大,数值仿真效率有待进一步提高.
为了便于在火卫一附近进行名义轨道设计,求解常用的任务轨道,我们根据星历多体模型的主要特征,对其进行简化:
1) 将火卫一围绕火星的公转轨道视为椭圆;
2) 火卫一的不规则引力场由球谐函数引力势进行计算.距离火卫一质心r、经度为、纬度为处的球谐函数引力势按
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其中:,Pmn表示连带勒让德多项式函数,R0为火卫一的标称半径,一般取11.12km,Kmn为火卫一的球谐引力势系数,是一组常复数,J为是球谐函数取到的阶数,本文取4.
3) 将火卫一自转的天平动现象简化为一个绕其自转轴的简谐振动,其自转角度、角速度与角加速度如
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其中为火卫一的平均自转角速度.
4) 忽略太阳、地球与木星的三体引力摄动,火星的三体引力摄动按中心引力场计算.
这种简化的模型考虑了火卫一的椭圆公转轨道、简化的自转天平动和火卫一的球谐函数引力势,我们称这种模型为考虑天平动的球谐椭圆模型(ERTBP with gravity harmonics and physical libration, ERTBP-HL).ERTBP-HL模型中的各种动力学要素都具有周期性,易于分析,在该模型下可以求解系统中的共振周期轨道.

图1 ERTBP-HL模型中的共振QSO
Fig. 1 Resonant QSOs with ERTBP-HL
飞行器轨道预报是任务设计的基础.简化模型由于存在模型误差,在进行轨道预报时,可能会产生较大的位置预报误差.


图2 不同简化模型中的QSO相对星历多体模型的轨迹误差
Fig.2 Position deviations of the QSO with simplified models compared with the NBP-EL model
由图可知,在仿真初始阶段,ERTBP-shape模型在较短时间内能够追踪星历多体模型下的QSO轨迹,具有较好的精度.但经过一定时间后,ERTBP-shape模型与星历多体模型产生较大的距离偏差.与ERTBP-shape模型相比,ERTBP-HL模型在整个仿真过程中都可以很好近似NBP-EL模型的轨迹,位置误差可以控制在数公里内.现有的ERTBP-shape模型只在短时间内是有效的,限制了在实际任务设计中的应用,而我们提出的ERTBP-HL模型可以在长时间内保证轨道预报的准确性,可应用于探测任务的名义轨道设计.
在任务轨道设计中,飞行器的星下点轨迹也是一个重要指标,是判断飞行器是否能够完成探测任务的重要依据.

(a) 考虑天平动的球谐椭圆模型
(a) ERTBP-HL

(b) 多面体椭圆模型
(b) ERTBP-shape

(c) 星历多面体模型
(c) NBP-EL
图3 不同模型下QSO的星下点轨迹
Fig.3 Ground tracks of QSOs with different dynamic models
从图中可以看出,基于现有ERTBP-shape模型的轨道,在考虑天体的真实星历与火卫一自转天平动后,轨道的星下点轨迹覆盖范围和在特定位置的轨道高度都有所改变.对覆盖范围和轨道高度的错误估计,可能会对科学探测产生不利影响.而考虑了火卫一简谐天平动的ERTBP-HL模型,在星下点覆盖范围和轨道高度方面,与高保真度的NBP-EL相比,误差都比较小.因此,在任务设计中考虑火卫一天平动的影响是必要的.
探测任务往往会对飞行器的轨道形状提出要求,如观测任务中可能需要轨道保持周期或拟周期状态,而轨道转移或着陆任务中则需要准卫星轨道在平面内有一定的漂移,以选择合适的转移或着陆窗口.在不同的动力模型下,对ERTBP-HL下得到的3∶2共振QSO进行仿真,结果如

(a) 考虑天平动的球谐椭圆模型
(a) ERTBP-HL

(b) 多面体椭圆模型
(b) ERTBP-shape

(c) 星历多面体模型
(c) NBP-EL
图4 不同模型下的QSO轨迹
Fig.4 Trajectories of QSOs with different dynamic models
从图中可以看出,ERTBP-shape模型下的轨道形状与星历多体模型有着比较大的差别.而对于考虑了火卫一自转天平动的ERTBP-HL模型,其仿真结果与星历多面体模型非常接近.因此,现有的ERTBP-shape模型在设计轨道构型时有明显误差,有必要引入火卫一自转天平动的影响,使用本文提出的两种模型进行轨道的设计与分析.
本文提出一种研究火卫一邻近区域飞行器运动的高精度轨道动力学模型:火星与火卫一的相对位置由星历模型计算确定,引入太阳系主要天体的引力摄动,考虑火星引力的J2项摄动,在考虑真实姿态运动的火卫一本体系中建立轨道运动方程.在保留高精度模型主要特征的基础上,为减小数值仿真计算量,对其进行了抽象与简化,提出了考虑火卫一简谐天平动和球谐引力势的椭圆型限制性三体问题模型.在两种新模型和现有模型中,对火卫一邻近区域的准卫星轨道进行了仿真,分析了不同模型下准卫星轨道的轨迹、形状与星下点轨迹等特性.发现在现有模型下,仿真结果中的轨道特性与高精度模型有较大的误差,而本文提出的考虑天平动的球谐椭圆模型与高精度模型非常接近,可在轨道设计中代替高精度模型进行名义轨道设计.仿真和分析结果证实,在轨道设计中,现有的多面体椭圆模型误差较大,有必要使用本文提出的星历多面体模型或其简化模型,即考虑天平动的球谐椭圆模型,进行轨道设计.
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