摘要：针对中国首次自主火星探测任务“天问一号”(Tianwen-1)的火星捕获制动期间点火姿态设计最优化问题,提出了整器约束条件下的分析思路和解决方法。首先建立捕获阶段的轨道动力学模型,根据捕获前轨道和捕获后的目标轨道以燃料消耗最少为优化目标,使用牛顿迭代法寻优解出轨道平面内最佳的推力方向和点火时刻,得到推力矢量。再结合探测器的光照、测控约束条件,确定了绕推力方向的偏转范围。最后参考星敏感器布局,对全过程不同偏转角度下星敏受天体遮挡情况进行分析,计算出星敏可用台数以及可用时长,按照可用时长最优的原则确定出最优的点火姿态。在轨实际制动捕获结果表明,轨控后半长轴偏差小于947.122 km(半长轴变化量102346.152 km),偏心率偏差小于0.0021,同时全程满足整器测控、光照的需求,捕获全过程中保持任意时刻至少有2台星敏可用,根据遥测结果对比星敏的可用时段仿真误差小于0.225 h。

摘要：针对火星探测器制动捕获问题进行研究,通过对火星探测器捕获问题的动力学建模、典型工况数值仿真,对3种典型的直接捕获策略:定向捕获、匀速捕获、变速捕获进行比较、分析,系统地总结了3种捕获策略的优缺点,得到变速捕获推力器燃料消耗低,但需要实时速度信息等结论。进一步地,通过数值分析点火时刻对制动捕获效果的影响,发现探测器最优点火时刻为到达近火点前制动耗时一半左右所对应的时刻。为实现特定捕获过渡轨道,设计了基于ZEM/ZEV闭环制导的捕获策略。通过与变速捕获对比表明:所设计捕获策略的制动效果与变速捕获相当,且能满足特定的末端位置/速度约束,可为实际任务提供一种备选方案。