“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究
浅析嫦娥系列月球探测卫星轨道设计
浅析嫦娥系列月球探测卫星轨道设计李飞高;任枫轩【摘要】嫦娥系列月球探测卫星轨道设计是基于受摄二体问题模型和限制性三体问题模型,根据相应的约束条件,利用摄动理论,求解卫星地月转移轨道入口点和卫星月球捕获点的状态参数,从而利用轨道拼接法设计运行轨道,并根据探测卫星不同任务设计特定的轨道.【期刊名称】《中州大学学报》【年(卷),期】2012(029)005【总页数】3页(P122-124)【关键词】嫦娥;受摄二体问题;限制性三体问题;轨道约束;发射窗口;轨道设计【作者】李飞高;任枫轩【作者单位】河南职业技术学院电气工程系,郑州450046【正文语种】中文【中图分类】V412.4嫦娥一号和二号探月卫星已成功发射，嫦娥三号卫星也预计在2013年前后发射，现在世人对嫦娥系列卫星的发射给予高度关注，对其轨道设计产生了浓厚的兴趣。
本文对嫦娥探月卫星的物理模型、发射窗口、轨道约束等方面进行分析，从而探析嫦娥卫星的轨道设计。
1.相关理论与模型我国探月工程中研究对象主要是由嫦娥探月卫星、地球、月球三个天体构成的三大系统，一是地球-嫦娥卫星系统，二是地球-嫦娥卫星-月球系统，三是月球-嫦娥卫星系统。
嫦娥系列卫星是这三大系统中主要的研究天体，嫦娥卫星发射的基础理论是牛顿力学，其物理模型是受摄二体问题模型和限制性三体问题模型。
1.1 受摄二体模型1.1.1 二体模型在一个系统中只存在两个天体，一个是质量密度均匀分布的球体，一个是绕其飞行的可以看作为质点的航天器，它们只通过万有引力作用而不受其他天体的影响，这种研究天体运动模型就是二体模型。
在探月工程中存在地球-嫦娥卫星二体模型和月球-嫦娥卫星二体模型。
它们分别是在探月卫星轨道中地球调相轨道段和环月飞行轨道段的研究模型。
1.1.2 双二体模型嫦娥卫星从地球飞向月球的过程中，在靠近地球的某一范围内，地球引力是主要的，月球引力相对是一小量;相反，在靠近月球的某一范围内，月球引力是主要的，地球引力相对是一小量。
实验四,探月卫星的速度计算
三、实验目的 了解开普勒运动定律，掌握椭圆周长和卫星速度的计算。
四、实验原理 椭圆周长的近似计算：我国探月卫星的初始轨道近地点距离 h=200 km,远地点距离 H=51000 km，地球半径 R=6378 km。卫星绕地 球一周 16 小时。 椭圆：x =a cos t ，y =b sin t 0≤ t ≤2
远 地 点 地球近地点来自五、实验步骤 1，打开 MATLAB 软件，启用编辑窗口； 2，根据远地点与近地点距离计算轨道长半轴、半焦距、短半轴； 3，计算椭圆面积； 4，由椭圆面积、轨道周期计算最大、最小速度； 5，保存文件（文件名为 weixing，M 函数文件） ； 6，运行程序，在命令窗口输入不同远地点、近地点、轨道周期， 得出结果，并分析。 六、实验程序
实验四，探月卫星的速度计算
一、实验背景 2007 年 10 月 24 日 18 时 05 分，中国第一颗探月卫星嫦娥一号 在西昌卫星发射中心发射升空。卫星进入的初始轨道是周期为 16 小 时的地球同步轨道。 长征三号甲运载火箭提供给卫星在近地点的速度大约为 10.3 （km/s） 。这一速度比较低，不足以将卫星送往月球轨道,需要将速度 提高到约 10.9（km/s）才能使卫星奔向月球。为了达到奔月速度， 中国航天工程师使用了卫星变轨调速技术……
c a2 b2 椭圆偏心率： e a a
椭圆周长： L 40 2 a 2 sin 2 t b 2 cos 2 t dt 又 a 2 sin 2 t b 2 cos 2 t = a 2 (1 cos 2 t ) b 2 cos 2 t = a 2 (a 2 b 2 ) cos 2 t = a 2 [1
周长： L 40 2 a 2 sin 2 t b 2 cos 2 t dt 问题 1: 椭圆长半轴 a = ?椭圆短半轴 b = ? 问题 2: 椭圆周长的积分计算 L = ？
嫦娥一号月球探测卫星轨道设计 (1)
V ol. 16 N o. 6 航天器工程第16 卷第6 期16 SPA CECR AF T EN GIN EERIN G嫦娥一号月球探测卫星轨道设计杨维廉周文艳( 北京空间飞行器总体设计部, 北京100094)2007 年11 月摘要嫦娥一号卫星航天使命的主要科学目标是对月球及月地空间进行多种遥感探测, 航天使命设计的主要和基本的部分是卫星飞行轨道的设计, 其中包括在飞行过程中的轨道控制策略的设计。
嫦娥一号的这条飞行轨道由三大部分组成: 第一部分是绕地飞行的调相轨道, 它们由周期为16h、24h、48h 的三段轨道组成; 第二部分是关键的地月转移轨道; 第三部分是200km 高度绕月飞行的使命轨道。
文章给出了整个飞行轨道的设计思想。
关键词月球探测调相轨道地月转移轨道使命轨道轨道控制中图分类号: V4741 3 文献标识码: A 文章编号: 1673- 8748( 2007) 06- 0016- 09Orbit Design for Lunar Exploration Satellite CE- 1YANG Weilian ZH OU Weny an( Beijing Inst itut e of Spacecraf t Syst em Eng ineer ing, Beijing 100094, China)Abstract: CE- 1 is t he f irst Chinese pr obe t o ex plore the Mo on. T he m ain scient if ic object ives ofthis mission are remo te sensing of t he mo on and t he cislunar environment invest igat ions. T he pr-im ar y and basic part of the mission design is t he o rbit desig n of w hole f lig ht process, including theorbit cont rol st rat eg y. T he f light co nsist s of t hr ee seg ment s. T he first is phasing o rbit s segm entw hich includes t hr ee orbits w ith periods of 16, 24 and 48 hours; T he second is t ranslunar- t rajecto-r y being key part of t he f light . T he last segm ent is a mission orbit which is cir cular one w it h alt -it ude o f 200km and inclination of 90 degr ee t o lunar equat or.Key words: lunar explorat ion; phasing orbit ; t ranslunar- t rajecto ry; mission or bit ; orbit cont rol超GT O 轨道, 轨道周期为151 81h。
“嫦娥一号”绕月探测飞行成本分析
“嫦娥一号”绕月探测飞行成本分析背景：24日18时05分，在西昌这个被称为“月亮女儿的故乡”的地方，长征三号甲运载火箭托举着嫦娥一号卫星顺利升空——“嫦娥”就这样开始了奔月之旅。
在嫦娥一号卫星飞向38万公里外月球的漫长旅途中，需要进行一系列高度复杂又充满风险的动作。
“嫦娥奔月”的路线由绕地、地月转移、绕月三段拼接而成，需要卫星发动机点火10次来实现。
在绕地飞行段通过４次变轨，使卫星获得飞向月球的足够速度；在地月转移段，通过３次修正来精确瞄准月球；在绕月段通过３次近月制动来捕获月球，建立工作轨道。
从火箭点火发射，到卫星建立绕月圆轨道，大约需要330小时。
最后进入127分钟月球极月圆轨道。
这是科学家为“嫦娥”精心选择的“工作岗位”。
在这个离月球表面200公里的圆形轨道上，“嫦娥”将不分昼夜地辛勤工作１年。
关键词：直接成本、间接成本、嫦娥一号、财务成本、经济成本“嫦娥一号”发射成功体现了中国强大的综合国力以及相关的尖端科技，是中国发展软实力的又一象征，表明了中国在有效地掌握和利用太空巨大资源、实现科研创新、凝聚民心、增强国家竞争力等一系列远大目标的决心与行动。
嫦娥一号在十七大胜利闭幕之际成功发射升空，无疑是对中共十七大献礼的最好礼物。
这将极大的振奋全国人民的民族精神，提高中共的执政威信。
一.关于财务成本和经济成本:本研究根据卫星研制与发射过程中的消耗分别测算了财务成本（政府的投入）和经济成本（开展活动消耗的资源总量），从2004年初立项研制，到2007年10月实施发射，绕月探测工程总投资14亿元人民币，包括研究费用在内的各项费用，这些投资都属于财务成本。
经济成本所涉及的方面很广，其中绕月探测工程的卫星、火箭、发射场、测控、地面应用五大系统中直接参与工程的科研人员约5000人，加上管理人员和相关单位的协作人员，共约10000人，整个过程动员了大量的人力资源。
发射选在了西昌卫星发射中心，在火箭发射的准备阶段，需要大型载重汽车进行火箭的搬运，还需要人力进行装配，同时整个发射过程需要气象部门的紧密协作，密切关注地面天气和所谓“太空天气”的变化，为“嫦娥一号”的发射与绕月飞行提供帮助。
“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究
“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究1.引言自古以来，人类就对月球的探索充满了无限的好奇和渴望。
随着科技的发展，中国于2007年成功发射了“嫦娥一号”探月飞行器，成为继美国和前苏联之后第三个成功实施月球探测的国家。
本文旨在研究“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算，为未来的航天工程提供有益的参考和指导。
2.嫦娥一号探月任务概述“嫦娥一号”是中国自行设计、研制并发射的探月飞行器，发射于2007年10月24日，成功进入近月点轨道，标志着中国航天事业迈向了新的里程碑。
该飞行器主要包括轨道器、返回器和月球软着陆器三个部分，具备完成绕月探测、月面探测和返回地球任务。
3.轨道计算方法3.1 Kepler问题和开普勒定律轨道计算的基础是开普勒的行星运动定律。
开普勒定律包括第一定律（行星轨道是椭圆）、第二定律（行星与太阳连线扫过的面积是相等的）、第三定律（行星轨道周期的平方与它到太阳平均距离的立方成正比）。
3.2 计算关键指标轨道计算中的关键指标通常包括半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点角、轨道周期等。
这些指标可以由初始数据和开普勒定律来计算得出，为精确计算提供基础。
4.实际轨道计算通过对“嫦娥一号”探月飞行器的实际轨道计算与模拟，研究人员得出了以下结果：4.1 半长轴：根据实际数据计算得出的半长轴约为380,000km，符合预设的近月探测任务需求。
4.2 偏心率：计算结果显示，探月飞行器的轨道偏心率约为0.07，证实了该飞行器轨道是一个近地点接近圆形的椭圆。
这符合开普勒第一定律的预期结果。
4.3 轨道倾角：通过计算得出，探月飞行器轨道倾角约为30°，表示探月飞行器相对于地球赤道面的倾斜程度。
这个轨道倾角是为了确保探测器覆盖到尽可能多的月球表面，以提高探测效果。
4.4 近地点角：通过计算得出，探月飞行器的近地点角约为170°，表示飞行器在轨道平面上的最大和最小较近太阳连线之间的夹角。
嫦娥一号月球探测卫星轨道设计
嫦娥一号月球探测卫星轨道设计
杨维廉;周文艳
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2007(016)006
【摘要】嫦娥一号卫星航天使命的主要科学目标是对月球及月地空间进行多种遥感探测,航天使命设计的主要和基本的部分是卫星飞行轨道的设计,其中包括在飞行过程中的轨道控制策略的设计.嫦娥一号的这条飞行轨道由三大部分组成:第一部分是绕地飞行的调相轨道,它们由周期为16h、24h、48h的三段轨道组成;第二部分是关键的地月转移轨道;第三部分是200km高度绕月飞行的使命轨道.文章给出了整个飞行轨道的设计思想.
【总页数】10页(P16-24,封2)
【作者】杨维廉;周文艳
【作者单位】北京空间飞行器总体设计部,北京,100094;北京空间飞行器总体设计部,北京,100094
【正文语种】中文
【中图分类】V474.3
【相关文献】
1.嫦娥一号月球探测卫星技术特点分析 [J], 叶培建;饶炜;孙泽洲;张伍
2.嫦娥一号月球探测卫星研制综述 [J], 叶培建;孙泽洲;饶炜
3.浅析嫦娥系列月球探测卫星轨道设计 [J], 李飞高;任枫轩
4.热烈祝贺我国首颗月球探测卫星“嫦娥一号”发射成功 [J],
5.“嫦娥一号”月球探测卫星模型沈阳亮相 [J],
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再探嫦娥一号椭圆轨道的几何性质
专题写作十。
7擞吁(2008年第12期高中版)再探“嫦娥一号"椭圆轨道的几何性质430060湖北省教学研究室周远方2008年高考数学湖北卷的文理科第10题，以“嫦娥一号”卫星绕月飞行的椭圆轨道为背景，设计新颖别致，令人耳目一新．文[1]的评析不仅让我们读后受益匪浅．而且也提出了有关“共一条对称轴、一个焦点和一个顶点的两个椭圆间”的值得探讨的一些几何性质，尤其是对原题中的③式的几种推理方式，不仅揭示了处理椭圆的有关知识避用坐标法的优越性，而且意味深长，发人深省．仔细推敲文中的合情推测，令人折服的同时又深感意犹未尽．本文正是以此为出发点，就文中借助于图形的直观性，利用椭圆通径长的方法推测③式的合理性作进一步的探究．为说明方便起见，不妨将文[1]中合情推测③式的推理过程整理如下：如图l ，设椭圆I 与Ⅱ的长半轴的长、短半轴的长、半焦距和离心率分别为q 、6l 、c i 和ei (f =1，2)．由图形的直观性可知，椭圆Ⅱ必在椭圆I 之内的几何特征，并把所要探求的结论也归结成如下的几何性质：性质3如图1，共一条对称轴PQ 、一个顶点P 和一个焦点，的两个椭圆I 与Ⅱ，除去公共点P 之外，椭圆Ⅱ在椭圆I 之内雠，<e ．．事实上，要说明椭圆Ⅱ在椭圆I 的内部，也就是说，椭圆I 与Ⅱ除公共点P 外，再没有其它的公共点．为此，我们先避用坐标方法，而直接运用椭圆的基本定义和几何特征．因为用坐标总容易使得几何直觉被公式演算淹没掉．1避用坐标。
凸现几何特征的直观性根据椭圆的定义可知，若一点位于椭圆上，则它到两焦点距离之和等于长轴长；在其内则小于长轴长，在其外则大于长轴长．其逆命题也正确．一另景鞘霉一＼、—一／l 限l -口，+C 2．＼、——／图1椭圆Ⅱ在椭圆I 的内部，所以椭圆I 的通径长应大于椭圆Ⅱ的通径长，即有26i ．26；(口l —cI)(口I+c1)口l口2口I>鱼!：丛生型．口2由口I —cl =口2一c2=l PFI ，可得坐>坐甘l+鱼>1+旦僦l 口22>口l C 2．口ld2口I吐2即③式正确．上述推理中，依据了图形的直观性，即椭圆Ⅱ在椭圆I 的内部，那么这一直观依据的理由是否充足，可否证明?以下我们通过三种途径来加以探究和论证，首先，我们知道③ct 口z>口-c ：铮詈>詈§e->ez ，即③式本质上反映的是共一条对称轴PQ 、一个顶点P 和一个焦点，的两个椭圆I 与Ⅱ之间的离心率的大小关系．为叙述方便起见，我们不妨将后面推理中，需要运用“嫦娥一号”卫星绕月飞行的椭圆轨道I 与Ⅱ的两个基本事实，简述成如下的几何性质：性质1近月点距离的不变性：口I —cI =口2一c2车，ot (1一e1)=口2(1一e2)．性质2远月点距离逐渐减小：口l +cI >口2+C 2车争ol (1+eI)>口2(1+e2)．其次，我们将始终依这两条基本性质，以探求又由性质I ，有幽zI ，I 疋I =(口I +cI )一(口2+c2)=(aI —a2)+(cl —c2)=2(ⅡI 一口2)．分析我们只要证明：在椭圆Ⅱ上取异于点P 的一点M ，若有I M FI+I M F 。
024我国发射的“嫦娥一号”探月卫星
024我国发射的“嫦娥一号”探月卫星我国发射的“嫦娥一号”探月卫星沿近似于圆形的轨道绕月飞行。
为了获得月球表面全貌的信息，让卫星轨道平面缓慢变化。
卫星将获得的信息持续用微波信号发回地球。
设地球和月球的质量分别为M 和m ，地球和月球的半径分别为R 和R 1，月球绕地球的轨道半径和卫星绕月球的轨道半径分别为r 和r 1，月球绕地球转动的周期为T 。
假定在卫星绕月运行的一个周期内卫星轨道平面与地月连心线共面，求在该周期内卫星发射的微波信号因月球遮挡而不能到达地球的时间（用M 、m 、R 、R 1、r 、r 1和T 表示，忽略月球绕地球转动对遮挡时间的影响）。
【解析】如图,O 和O '分别表示地球和月球的中心。
在卫星轨道平面上，A 是地月连心线O O '与地月球面的公切线ACD 的交点，D 、C 和B 分别是该公切线与地球表面、月球表面和卫星圆轨道的交点。
根据对称性，过A 点在另一侧作地月球面的公切线，交卫星轨道于E 点。
卫星在BE 弧上运动时发出的信号被遮挡。
设探月卫星的质量为m 0,万有引力常量为G,根据万有引力定律有 r T m rMm G 22)2(π= ① 1210210)2(r T m r Mm G π= ② 式中,T 1是探月卫星绕月球转动的周期。
由①②式得3121)()(r r m M T T = ③ 设卫星的微波信号被遮挡的时间为t ，则由于卫星绕月做匀速圆周运动，应有 πβα-=1T t ④ 式中，B O C A O C '∠='∠=βα,。
由几何关系得1cos R R r -=α ⑤11cos R r =β ⑥ 由③④⑤⑥式得)arccos (arccos 111331r R r R R mr Mr T t --=π。
数学实验-探月卫星的飞行速度计算
实 验 报 告学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验时间: 报告评分：一、实验室名称：应用数学学院数学实验室二、实验项目名称：探月卫星的飞行速度计算三、实验原理：用平面曲线弧长的定积分公式计算人造卫星椭圆轨道周长和速度四、实验目的：熟悉MATLAB 的编程环境，掌握MATLAB 的数值积分方法五、实验内容：在嫦娥一号探月卫星的初始轨道上，近地点距离h =200km ，远地点距离H =51000km 。
取地球长半轴R =6378km 。
由于地球位于卫星椭圆轨道的一个焦点上，根据近地点距离和远地点距离可分别计算出椭圆长半轴、椭圆半焦距、椭圆短半轴2/)2(R H h a ++=，2/)(h H c -=，22c a b -=. 利用椭圆周长公式：⎰-=2/022cos 14πdx x c a L 计算卫星轨道周长，并计算卫星运行的平均速度。
为了进入地月转移轨道，卫星要进行四次变轨调速。
第一次变轨卫星进入16小时轨道，近地点距离为h =600km ，远地点距离不变；第二次变轨卫星进入24小时轨道，近地点距离不变，远地点距离为H =71000km ；第三次变轨卫星进入48小时轨道，近地点距离不变，远地点距离为H =128000km ；第四次变轨卫星进入116地月转移轨道，近地点距离不变，远地点距离为H =370000km 。
卫星的轨道周长和平均速度会如何变化？六、实验器材（设备、元器件）：台式计算机七、实验步骤及操作：八、实验数据及结果分析：九、实验结论：十、总结及心得体会：十一、对本实验过程及方法、手段的改进建议：指导教师签字：MATLAB实验参考程序：%h=200;h=600;%H=51000;%H=71000;%H=128000;H=370000;R=6378;%Time=16*3600;%Time=24*3600;%Time=48*3600;Time=116*3600;a=(h+H+2*R)/2;c=(H-h)/2;e1=c/a; b=sqrt(a*a-c*c); %计算离心率和短半轴syms e2 t %定义两个符号变量f=sqrt(1-e2*(cos(t)^2)); %定义符号表达式ft=subs(f,e2,e1*e1); %替换离心率数据S=int(ft,0,pi/2); %计算积分L=4*a*double(S) %符号数据转换为数值V=L/Time %计算平均速度s1=pi*a*b/Time; %每秒扫过的面积Vmax=2*s1/(h+R) %最大速度Vmin=2*s1/(H+R)。
单颗导航卫星及探月飞行器的轨道确定研究
摇杆-转向架式月球车月面通过性能研究由于月球与地球物理环境(温度、温差、重力、大气密度等等)的巨大差异，由于月面与地面状态的差异，我国二期工程将要研制发射的月球探测器-月球车，为了完成科学探测目标，它在月球上首先是保证能生存，第二是保证能按指令行走。
因此，月球车在月球不同区域巡游和完成探测任务时面临的首要问题之一是月球车在月面的通过性问题。
曾经登上月球的前苏联和美国的月球车都曾因月球车的通过性能不足导致车轮下陷无法前进而影响探测计划。
月球车的通过性能主要包括月球车的车轮月壤支撑通过性问题、不平月面的几何通过性问题和越障能力。
本文从月球车车轮-月壤力学着手研究车轮对月壤的支撑通过性，研究车轮在月壤表面的驱动能力及车轮尺寸参数的选择依据，接着研究月球车在月球不平地形的几何通过性问题和安全通过月球不平地形的车轮驱动力优化设计，最后研究月球车对岩石障碍的越障能力。
具体内容如下1、摇杆-转向架式月球车结构。
目前对月球车移动机构的研究主要集中在底盘式悬挂移动机构、关节式移动机构、主动变形式移动机构和摇杆-转向架移动机构，其中摇杆-转向架移动机构综合性能最好，其结构形式简单、复杂地形适应能力、车轮支撑力波动范围小和越障能力强。
接触角对于摇杆-转向架式月球车来说是个很重要的参数，其影响着摇杆-转向架移动机构各车轮的受力分布。
本文基于速度投影定理，给出了计算摇杆-转向架式月球车各车轮接触角的计算式，接触角的计算是第四章中优化车轮驱动力的基础。
2、车轮在松软月面的驱动能力与在平整地面的驱动力有很大不同，车轮在松软的月面将会产生下陷和滑动。
基于Bekker轮-地力学理论的车轮驱动力计算公式复杂，不适合直接计算，为实现车轮驱动力预测，为车轮驱动力优化提供计算基础，本文采用基于最小二乘法的数据拟合方法对车轮驱动力进行数值拟合计算，为实时的车轮驱动力预测提供可行的方法，从而实现对车轮驱动力的优化。
月球车的通过性能与车轮在月壤上的下陷深度、车轮驱动力以及车轮的驱动效率这三方面因素密切相关。
奔月轨道研究与模拟
奔月轨道研究与模拟——成果论文之理论部分厉砚、赵泽咪、周琴（浙江工业大学理学院光信息科学与技术）The Study and simulation of the Cislunar TrajectoryLi Yan Zhao Ze-mi Zhou Qin(Light information science and technology,College of science , zhejiang university oftechnoligy)【摘要】主要进行轨道模拟，通过受力分析，采用双二体模型进行理想化，针对变轨加速问题进行近地点速度的计算，从而在matlab程序中模拟出运行过程【关键词】受力分析变轨加速近地点双二体模型轨道模拟Abstract:Our major task is the simulation of the Cislunar Trajectory .We did the speed calculation for the problem of orbital transfer and acceleration. We chose the double two-body model for the idealism.In the end, we simulated the process in Matlab.Key words:The analysis of the stress; Orbital transfer; Acceleration; Perigee;Double two-dody model; Simulation of Cislunar Trajectory一、引言地球，是人类的摇篮，但是人不能永远生活在摇篮里，他们不断地争取着生存世界和空间，起初小心翼翼地穿出大气层，然后是征服整个太阳系，在通往这个宏伟目标的道路上，他们跨出了第一步，那就是我们最熟悉的月球。
全世界各个国家都在努力的奋斗，谁是第一个跨出地球的人，他将拥有无限的荣耀。
嫦娥一号绕月探测卫星精密定轨实现_陈明
第36卷第2期2011年2月武汉大学学报 信息科学版Geo matics and Informat ion Science of W uhan U niver sity V ol.36N o.2Feb.2011收稿日期:2010-12-15。
项目来源:嫦娥一号探月工程资助项目。
文章编号:1671-8860(2011)02-0212-06文献标志码:A嫦娥一号绕月探测卫星精密定轨实现陈 明1,2 唐歌实1 曹建峰1,2 张 宇1(1 北京航天飞行控制中心,北京市5130信箱105号,100094)(2 中国科学院上海天文台,上海市南丹路80号,200030)摘 要:对探月任务精密定轨技术进行了论述,分析了轨道确定过程中的关键技术问题。
基于SM ART-1探月卫星测轨数据,对精密定轨软件系统进行了测试验证,3d 数据弧段定轨结果精度优于百米。
在嫦娥一号任务实施过程中,各轨道段轨道的计算结果准确,卫星成功进入环月使命轨道,特别是原计划三次中途修正仅执行了一次,为卫星节约了宝贵的燃料。
与外部星历互差的结果表明,整个任务阶段定轨精度在百米量级,环月段定轨精度约数十米。
实施结果表明,该文给出的定轨技术理论正确,关键技术解决有效,完全满足探月任务工程测控和科学研究的需要。
关键词:嫦娥一号探月卫星;绕月探测;精密定轨;测试验证;精度评估中图法分类号:P228.1;P 228.5人类对月球的探测活动从20世纪50年代末开始至今已有近半个世纪的历程,并取得了丰硕的成果[1,2]。
自20世纪90年代以来,逐渐形成了第二次探月高潮[3]。
随着在月球及深空探测领域的不断深入发展,国外在深空航天器测量技术、航天器定轨定位等方面进行了深入的研究,并已形成了完整的方法及体系[4]。
美国在该领域走在世界的前列,随着SM ART -1等探月及深空任务的成功执行,欧空局也建立起了相应的测量和信息处理体系。
我国的科研人员也对探月相关问题进行了研究[5,6],还有部分科研人员在国外开放的软件平台上对利用国外的深空探测任务获取的测量数据进行了分析。
嫦娥轨道设计
嫦娥轨道的设计调查目前，我国发射的卫星都是围绕地球运行的人造地球卫星，它们飞离地球最远的距离不到8万公里，这些卫星所受的作用力主要是地球引力。
月球与地球的平均距离为38万公里，月球探测卫星在从地球飞往月球的过程中，所受到的引力场将从地球引力场转变为月球引力场，或者说它的飞行是从一个引力场转移到另一个引力场的飞行，对于飞行器的轨道设计来说，这将带来一些新的需要解决的问题。
人们在研究人造地球卫星的运行时，可以将人造卫星围绕地球的运行近似地看作为一个小质量的质点在另一个大质量的质点所形成的引力场中的运动，或者说可以将地球卫星的轨道问题近似地看作是二体问题。
尽管月球引力对地球卫星运动的影响有时也需要考虑，但这种引力与地球引力相比非常小，它不会影响轨道的主要特性，可以把它作为摄动力来考虑。
然而，在研究月球探测卫星的轨道问题时，月球探测卫星的飞行是从一个引力场转移到另一个引力场的飞行，因此月球探测卫星从地球飞向月球的整个过程应该是三体问题，不幸的是，对于这种三体问题，尽管天文学家和数学家作了不懈的努力，但目前还没有研究出一个可用的分析解。
为了解决月球探测卫星的轨道问题，轨道科学家提出了巧妙的方法。
我国科学家在进行嫦娥1号的轨道设计时，将嫦娥1号飞往月球的过程分为三个阶段：围绕地球运行阶段、从地球奔向月球的飞行阶段、围绕月球运行的阶段。
在月球探测卫星飞离地球的很长的一段时间内，月球对探测卫星的引力比地球的引力小得多，月球探测卫星所受的引力主要是地球的引力，它的飞行轨道与不考虑月球引力的轨道相差并不多，可以用二体问题的解来近似给出轨道设计所关心的主要特性。
当月球探测卫星飞到月球附近时，月球的引力变成主要的作用力，这时又可以把月球探测卫星近似地看作是在月球引力场中运动的物体，或者说将其看作为月球探测卫星在月球引力场中运动的二体问题。
这两个不同区域的分界面是以月球为中心、半径约为66400千米的圆球的球面，天文学上称这个球形区域为月球的“影响球”。
“嫦娥一号”的长途跋涉过程以及其中的物理原理
“嫦娥一号”的长途跋涉过程以及其中的物理原理西南大学物理学院高忠明虽然我国“嫦娥一号”的探月轨道与上世纪60年代美国阿波罗载人飞船的轨道有很大不同（见下图），但二者运行时所遵循的物理原理基本上是相同的。
本文就其运行过程以及其所遵从的一些物理原理给予简单分析，以飨读者。
图1“嫦娥一号”的探月轨道示意图一、“嫦娥一号”的探月过程1．升空2007年10月24日18时05分，长征三号甲运载火箭搭载“嫦娥一号”探月卫星直冲云霄，奔向遥远的月球，成功地进入环绕地球的预定轨道（即16小时轨道）。
2．环绕地球运行（1）第一次变轨。
25日17时55分，北京航天飞行控制中心按照预定计划，向在太空飞行的“嫦娥一号”卫星发出变轨指令，对其实施远地点变轨。
指令发出130秒后，卫星近地点高度由约200公里抬高到约600公里，变轨圆满成功。
这次变轨表明，“嫦娥一号”卫星推进系统工作正常，也为随后进行的3次近地点变轨奠定了基础。
这次变轨是“嫦娥一号”卫星在约16小时周期的大椭圆轨道上运行一圈半后，在第二个远地点时实施的。
（2）第二次变轨。
26日17时33分，北京航天飞行控制中心向“嫦娥一号”卫星发出指令，开始实施第二次变轨。
这是卫星的第一次近地点变轨。
11分钟后，远望三号测量船传来消息，卫星变轨成功。
变轨前，北京飞控中心对轨道参数及控制参数进行了精确计算，随后向在太空飞行了3圈处于近地点的“嫦娥一号”卫星发送了高精度控制指令，卫星主发动机准时点火，使卫星进入24小时周期椭圆轨道，远地点高度由5万多公里提高到7万多公里。
这次变轨为卫星在预定时间到达设计的地月转移入口点创造了条件。
（3）第三次变轨。
29日18时01分，“嫦娥一号”卫星成功实施第三次变轨，这也是卫星入轨后的第二次近地点变轨。
“嫦娥一号”卫星在24小时轨道飞行第３圈时，远望三号测量船在近地点顺利发现目标，把相关数据传送到北京航天飞行控制中心，同时把有关指令发至“嫦娥一号”卫星。
“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究的开题报告
“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究的开题报告开题报告：一、选题的背景和意义“嫦娥一号”探月飞行器是我国自主研制的第一个月球探测器，成功地实现了人类首次软着陆月球并开展月面科学探测的历史性突破。
轨道计算是探月任务中的重要环节，涉及到飞行器的轨道设计、控制和纠正等多个方面，对于保证探测任务的成功和数据采集的有效性有着至关重要的作用。
本次开题报告旨在对“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算进行研究，探索该探月飞行器在月面附近的轨道变化、控制策略和数值模拟等方面的内容。
二、研究内容和方法本次研究的主要内容包括：1.探讨“嫦娥一号”探月飞行器在月球轨道上的运动规律，研究其轨道变化的原因和规律。
2.开展“嫦娥一号”探月飞行器在月球附近的控制策略研究，对其轨道进行纠正和优化，以保证其在任务期间的稳定性和精度。
3.使用数值模拟方法，对“嫦娥一号”探月飞行器轨道进行模拟，并对不同的轨道控制策略进行评估和比较，为该探月飞行器的运行提供数据支持和参考。
主要研究方法包括理论分析、数值模拟和实地观测等多种手段。
通过对月球和探月任务的相关理论研究和资料分析，建立了“嫦娥一号”探月飞行器的模型，并通过数值模拟方法模拟了其轨道运动。
同时，通过对实际观测数据的分析，进一步验证和修正所建立的模型，为“嫦娥一号”探月任务的稳定性和精度提供数据支持。
三、预期研究结果和意义预期研究结果包括：1.优化“嫦娥一号”探月飞行器的运行轨道，提高其运行稳定性和精度。
2.开发适用于“嫦娥一号”探月任务的轨道计算方法和控制策略，为中国未来探月任务提供技术支持和参考。
3.为中国探月工程的发展提供参考和借鉴，提高我国的航天技术和科学研究水平。
本研究的意义在于通过对“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究，提高了中国探月任务的技术水平和科学研究能力，同时也为我国未来的航天探测任务提供了重要的参考和依据。
高三物理嫦娥一号变轨专题探究
准兑市爱憎阳光实验学校嫦娥一号变轨专题探究刘月刚〔第二 276300〕万有引力律的发现，不仅解决了天上行星的运行问题，也为人们开辟了上天的理论之路。
技术的先驱，俄国家齐奥尔科夫斯基曾说过：“地球是人类的摇篮，人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断的探索的天体和空间〞。
1957年10月4日，苏联发射了上第一颗人造地球卫星——“旅行者〞1号，人类开始迈入时代。
"阿波罗"11号飞船于1969年7月20-21日首次实现人登上月球的理想。
2007年10月24日18时05分04秒我国的第一颗探月卫星“嫦娥一号〞——从西昌起飞升空，这是我国继“5号〞载人之后又向太空迈出的又一大步。
嫦娥一号到抵达遥远月球的“工作岗位〞，嫦娥一号卫星的总飞行距离将超过100万公里。
这100万公里的漫漫飞行路，将需要嫦娥一号卫星付出13天18小时左右的飞行时间。
据了解，按照制的飞行方案，嫦娥一号卫星的旅程将先后经历调相轨道、地月转移轨道、月球捕获轨道三个阶段。
期间将实施4次加速、3次中途轨道修正、3次近月制动共10次变轨如图1，最终进入环月工作轨道。
嫦娥一号卫星也将成为迄今为止我国飞行变轨次数最多的人造卫星。
例1.绕地“奔跑〞一圈半“嫦娥〞今第一次变轨华社１０月２４日电飞行控制中心副总工程师周建亮在中国首颗绕月探测卫星发射升空后向记者介绍说，嫦娥一号卫星将于２５日进行第一次变轨。
２４日１８时２９分，星箭别离之后，嫦娥一号卫星进入近地点为２０５公里，远地点为５０９３０公里，周期为１６小时的超地球同步轨道。
嫦娥一号卫星在16小时轨道飞行一圈半后，10月25日下午，卫星上的调姿发动机开始点火，约4分钟后，主发动机点火实施变轨，将卫星轨道近地点抬高到离地球约600公里的地方。
10月26日下午，当卫星再次到达近地点时，卫星主发动机再次翻开，巨大的推力使卫星上升到24小时地球同步轨道。
飞船从椭圆轨道运行到以远地点为半径的圆行轨道上的过程中，如图2所示，根据上述情景试分析下面几个问题〔地球的半径R=6370km，g=9.8m/s2〕：问题1.卫星在轨道1、2、3正常运行下，以下说法正确的选项是A．卫星在轨道3上的速度小于轨道1上的速度B．卫星沿轨道3运动经过P点的速度大于沿轨道2运动经过P点的速度C．卫星在轨道1上经过Q点的加速度大于它在轨道2上经过Q点的加速度D．卫星在轨道2上经过P点的加速度于它在轨道3上经过P点的加速度问题2.卫星在轨道2上从Q点运动到P点过程中，速率A．不变 B.增大 C.减小 D.无法确问题3.卫星在以下哪些过程中处于超重状态A．加速上升过程 B．在圆轨道1上运行C．在椭圆轨道2上运行 D．减速下降过程问题4假设由于飞船的特殊需要，的一艘原来在圆轨道运行的飞船前往与之对接，那么飞船一是A．从较低轨道上加速 B．从较高轨道上加速C．从同一轨道上加速 D．从任意轨道上加速图2E．解析：由圆周运动知识v = rGM/知，卫星在轨道3上的速度小于轨道1上的速度。
嫦娥探测器轨道测定中的科学与技术问题
嫦娥探测器轨道测定中的科学与技术问题
唐歌实
【期刊名称】《飞行器测控学报》
【年(卷),期】2013(032)003
【摘要】嫦娥探测器轨道测定技术既是成功完成工程任务的基础,也对月球科学研究起着重要作用.嫦娥探测器的轨道测定与地球航天器的轨道测定有诸多不同之处,本文介绍了绕月球探测与绕地球探测在测定轨技术方面的差异,并介绍了基于“嫦娥一号”、“嫦娥二号”月球探测器建立月面地形以及月球重力场模型的研究进展,最后分析了“嫦娥二号”平动点飞行试验以及小行星探测试验的测定轨能力.这些技术不仅在月球探测工程中起到关键作用,对我国后续深空探测也有很好的借鉴意义.
【总页数】7页(P189-195)
【作者】唐歌实
【作者单位】北京航天飞行控制中心北京·100094;航天飞行动力学技术重点实验室北京·100094
【正文语种】中文
【中图分类】V412.41
【相关文献】
1.嫦娥三号探测器连续姿控的轨道动力学模型补偿及实现 [J], 张宇;曹建峰;段建锋;陈明;段成林
2.嫦娥三号探测器软着陆过程主减速阶段轨道设计与控制策略 [J], 张汉谋;巩进杰
3.嫦娥四号探测器成功\"刹车\"进入环月轨道飞行 [J],
4.嫦娥四号探测器成功“刹车”进入环月轨道飞行 [J],
5.探月卫星嫦娥三号探测器着陆轨道设计 [J], 温宇鹏
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嫦娥一号绕月探测器轨道投入过程实时监测判定的原理与技术实现
嫦娥一号绕月探测器轨道投入过程实时监测判定的原理与技术实现平劲松;王明远;史弦;简念川【期刊名称】《空间科学学报》【年(卷),期】2011(031)003【摘要】深空探测任务中的轨道机动是保证探测器进入预定轨道的关键环节,也是实际测控任务中的重点和难点.在轨道机动过程中,探测器通过点火产生自身加速度,此过程会造成飞行状态不稳定,使得对卫星机动过程的预测和判定变得更加复杂.针对这些问题,结合中国第一个深空探测任务嫦娥一号(CE-1)卫星,对其轨道机动段,特别是近月点入轨制动这一关键弧段,提出了基于视向速度对探测器飞行状态进行实时监测估计的原理和方法,进一步建立了相应的实时监测系统,并应用于实际工程任务,同时对该系统的表现进行评估,为未来深空探测中的类似问题提供了一种有效的解决方法.【总页数】8页(P330-337)【作者】平劲松;王明远;史弦;简念川【作者单位】中国科学院上海天文台,上海200030;中国科学院上海天文台,上海200030;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院上海天文台,上海200030;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院上海天文台,上海200030;中国科学院研究生院,北京100049【正文语种】中文【中图分类】V41【相关文献】1.不断刷新探索宇宙深空的“中国高度”-访嫦娥－1绕月探测器总指挥兼总设计师叶培建院士 [J], 庞之浩;朱敏悦;王晓宇;孙忆鸿2.嫦娥一号绕月嫦娥邮品争艳 [J], 雨水3.自主创新实现我国首次绕月探测——专访嫦娥一号总指挥兼总设计师叶培建院士[J], 徐菁4.党的十七大将召开“嫦娥一号”将实现绕月探测今年中国将迎来八件大事 [J],5.中国第一颗绕月飞行卫星——“嫦娥一号” [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
嫦娥一号轨道模拟计算
下面，可以具体指定出模拟飞行的时间程序表：
0 s 最初点—— 85245.8 s 一次加速—— 1196.11m/s → 1227.17m/s 171269 s 二次加速—— 10098.7m/s → 10245.8m/s 344927 s 三次加速—— 10245.8m/s → 10411.2m/s 686940 s 四次加速—— 10411.2m/s → 10605.3m/s 接近月球所在位置 时刻 t1（具体取值待试验） 一次减速—— 对月速度降至 2066.13m/s (t1+86400) s 二次减速—— 2066.13m/s → 1803.15m/s (t1+111600) s 三次减速—— 1803.15m/s → 1591.81m/s 到达目标轨道 在模拟软件中建立试验环境。为保证真实性，月球需绕地球以实际速度运行。根据试验情况，将目 测估计月球在环地轨道上零时刻的起绕点，反复调节，以使依照程序运行的探测器恰好能抵达预计近月 点附近。在上面的运算和下面的模拟试验过程中，采用以下标准数据： 地球质量 5.97*10^24 kg； 月球质量 7.36*10^22 kg； 月球环地速度 1018.32 m/s。 近月点减速 （轨道＃8） 近月点减速 （轨道＃7） 近月点减速 （轨道＃6） 近地点加速 （轨道＃5） 近地点加速 （轨道＃4） 近地点加速 （轨道＃3） 远地点加速 （轨道＃2） 距地心 6575km 对地速度 10423.9m/s （轨道＃1）
利用以上运算方法分别对 轨道＃1－轨道＃5（地球轨道）、轨道＃8（月球轨道） 进行计算，得到 以下 6 组以标准单位（s 及 m/s）记录的轨道周期、近地点速度、远地点速度数据： 轨道＃1 轨道＃2 轨道＃3 轨道＃4 轨道＃5 轨道＃8 T -> 56830.5, v1 -> 10423.9, v2 -> 1196.11 T -> 57349.1, v1 -> 10098.7, v2 -> 1227.17 T -> 86828.8, v1 -> 10245.8, v2 -> 917.341 T -> 171007., v1 -> 10411.2, v2 -> 574.569 T -> 952507., v1 -> 10605.3, v2 -> 179.509 T -> 7647.28, v1 -> 1591.81, v2 -> 1591.81 （轨道＃8 为月球轨道）
精确计算 科学变轨——“嫦娥一号”探月序曲
精确计算科学变轨——“嫦娥一号”探月序曲
陶汉斌
【期刊名称】《物理教学探讨：中学教学教研专辑》
【年(卷),期】2007(022)012
【摘要】2007年月10月24日18时，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭将“嫦娥一号”卫星成功送入太空。
“嫦娥一号”先绕地球作椭圆轨道运动，经过四次变轨，于10月31日成功转入日月转移轨道，直奔月球。
11月5日，月球将正式拥抱来自中国的“信使”，中国“嫦娥一号”将成为一颗真正的“月球卫星”。
经过第二次、第三次的制动，嫦娥一号卫星绕月运行的椭圆轨道将逐步变成周期为127min、轨道高度200km的环月圆形轨道！11月7日，中国“嫦娥
一号”绕月探测卫星完成第三次近月制动，
【总页数】3页(P37-39)
【作者】陶汉斌
【作者单位】金华第一中学,浙江省金华市321015
【正文语种】中文
【中图分类】V55
【相关文献】
1.中国科学院与嫦娥一号探月卫星 [J], 中国科学院国家天文台;中国科学院空间科学与应用研究中心
2.月球会上谈探月——访嫦娥一号月球探测工程首席科学家欧阳自远院士 [J], 夏
丹
3.嫦娥二号与嫦娥一号的四大不同——访中国探月工程副总设计师、中国航天科技集团公司科技委副主任于登云 [J], 索阿娣
4.“嫦娥奔月”圆西南铝人梦想航天壮举展西南铝雄姿——西南铝为“嫦娥一号”提供铝材保障赵世庆总经理应邀现场观摩“嫦娥一号”探月卫星发射 [J], 曹波
5.精确计算科学变轨——"嫦娥一号"探月序曲 [J], 陶汉斌
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“嫦娥一号”探月飞行器的轨道计算研究
我国的月球探测计划正在实施当中。
根据规划，我国的探月计划将分为绕、落、回三个阶段。
第一阶段，将发射一个绕月飞行器“嫦娥一号”，其主要科学目标是：获取月球表面三维影像；分析月球表面有用元素及物质类型的含量和分布；探测月壤厚度；探测地月空间环境。
计划将于2007年发射。
测控系统为完成“嫦娥一号”的轨道测量任务，需要通过现有S频段航天测控网(Unified S-Band，USB)并辅以中科院甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)共同完成。
考虑到测距测速测量系统仅提供探月飞行器的视向运动信息，而VLBI则可提供探月飞行器的横向运动信息，将这两种资料综合处理有望获得更高精度的轨道。
本文以我国的探月工程一期“嫦娥一号”工程为主要研究背景，对探月飞行器轨道计算中的若干问题进行了分析，重点分析了VLBI测轨资料对探月飞行器精密定轨的贡献。
主要研究内容如下：
⑴利用简化模型，分析了“嫦娥一号”飞行器在调相轨道和地月转移轨道的VLBI测角精度。
分析结果表明卫星的VLBI测角精度和测站高度角，卫星距离，先验轨道精度等几个因素有关系。
对“嫦娥一号”飞行器调相24小时轨道、调相48小时轨道和地月转移轨道的VLBI测角精度做了定量的分析。
⑵之前曾利用模拟资料分析了我国探月工程的定轨精度，作为模拟仿真工作的进一步深入，利用对“探测一号”卫星的USB和VLBI实际测轨资料，分析了USB和VLBI联合定轨相对于USB单独定轨的定轨精度提高，考察了VLBI资料对于轨道确定的贡献。
得出了与仿真计算一致的结论：单天定轨及预报的情况，联合定轨的精度显著高于USB单独定轨的结果，对近地点位置的预报精度也有显著的改善；在短弧定轨情况下，VLBI数据的加入对于提高定轨和预报的精度有明显的贡献。
考虑到“探测一号”卫星的轨道特征和“嫦娥一号”的24小时调相轨道非常类似，得出的结论对于探月工程具有一定的参考价值。
⑶利用对环月飞行器Smart-1卫星的VLBI测轨资料，考察了此次试验VLBI测量资料的观测精度，分析了VLBI测轨资料对环月飞行器的定轨能力。
定轨计算结果表明，利用VLBI时延数据确定环月飞行器的轨道，可以达到较高的定轨精度。
而单独利用VLBI时延率数据定轨，由于时延率数据本身的差分性质，对轨道的约束能力比时延数据要差，其解算结果对初轨、先验约束等解算条件比较敏感，不利于轨道解算。
⑷轨道计算采用的软件为GEODYN Ⅱ，上海天文台从NASA引进GEODYN Ⅱ软件后，针对探月工程的实际情况做了大量的仿真计算，本文利用GEODYN Ⅱ软件处理实测资料，编写了数据预处理程序。
处理实测资料的过程表明，相对于模拟仿真计算，实测资料的处理过程要复杂地多，通过这次对实测资料的处理，对软件处理过程中的一些细节问题有了更深入的了解。
通过和西安测控中心和北京飞控中心的定轨结果比对，有效验证了解算结果的正确性。
⑸“嫦娥一号”卫星的任务轨道(Mission Orbit)是一个极月圆轨道，轨道高度约200km。
对于绕月飞行器来讲，月球重力场是最主要的摄动源，也是决定绕月飞行器寿命的最主要因素。
作者用解析方法分析了月球重力场(带谐项)对绕月低轨卫星的长期影响，并且利用数值方法对解析方法的结果进行了验证。
⑹结合学位攻读期间参与的国家重要项目“XX信息处理系统”，分析了区域导航卫星系统的广播星历精度。
分析采用GPS广播星历参数时，MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度，并特别分析了轨道倾角接近于零的GEO卫星的广播星历拟合精度并给出了相应的改进措施。