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【STK初探】创建一条奔月轨道

2022-07-22 03:59:00 【安谦柔】

一、基础知识

1.1 新建或复制一个3D或2D视图

修改轨道线条的粗细

2d Graphics --> Attributes --> more

1.2 新建一个卫星

1. 新建一个场景，命名为earth2moon

2. 创建一个卫星，方法：Insert -- New -- Satellite（orbit wizard）

二、任务要求

从文昌发射场发射卫星，经停泊轨道点火后，经过5天时间到达近月点高度200km的极轨环月轨道。

三、创建流程

【注】在Satellite1的Properties中通过配置Astrogator进行轨道设计（右键--Properties）

3.1 到达月球附近

Target Sequence配置情况如下

(1) 发射--Launch

修改Epoch等。

(2) 停泊段--Propagate，命名为Coast

设置停泊时间：3000秒。

(3) 奔月机动--Maneuver

这里推力使用脉冲。设置 $\Delta v$ ，一般沿着速度方向。或者VCN坐标系，沿x轴进行设置。具体的数值可以查阅文献，看一下一般的奔月轨道需要多少，一般大于3000 m/sec。

(4) Propogate

停止的标志1：撞到月球停止。设置与月球的距离是0km。

如果撞不到月球，停止的标志2：到达近月点停止。

此时，运行整个序列，可能会发现卫星奔月没多远，然后就到近月点，停下来了。但是，此时实际上距离月球比较远，仍在地球附近。这种情况下不可能得到可行解。所以，增加一个条件（设置卫星与地球的距离30000km），保证外推的足够远，才有可能到月球。

运行整个序列发现没有奔月。此时，需要改变奔月轨道空间的取向和位置。因为控制发射时间，奔月轨道会沿着地球自转轴旋转。修改停泊时间，奔月轨道会沿着停泊轨道的法向轴旋转。所以，需要由发射时间修改升交点赤经 $\Omega$ +由停泊时间修改近地点幅角 $\omega$ 。勾选这两个设计变量。

约束怎么描述？采用卫星的赤经和赤纬与月球重合。具体来讲，目标变量采用Delta Declination （Declination between s/c and central body wrt parent body）和Delta Right Asc （Right Ascension between s/c and central body wrt parent body，这两个量分别是卫星相对地球的赤纬和赤经与月球相对地球赤纬和的赤经差值。

根据上面的分析，下面开始配置微分求解器。(Target Sequence--Differential Corrector)

（1）设计变量（控制变量）

（2）设计目标

Scaling是进行归一化，数值积分和微分修正都需要归一化，会更容易求解（收敛）。

注意：Target Sequence里面Action选择Run active profiles。点击运行。

结果如下

到这里，已经完成了到达月球附近的目标。

3.2 月面附近参数粗设计

下面针对近月点高度，倾角，飞行时间进行设计。

首先，调整倾角。

B平面在深空设计特别是引力辅助变轨的过程中非常重要。在小天体附近，相对小天体是双曲线轨道。过自转轴和过赤道的轴构成B平面。双曲线的渐近线穿过B平面的点在两个轴的分量构成BDotT和BDotR。倾角的控制目标由（Propagate --> Results --> MultiBody）中BDotT和BDotR定义，这样更容易收敛。因为用渐近线描述非线性和敏度会低很多。

此时，增加一个设计变量（控制变量） $\Delta v$ 。注意勾选。

假设设计的是一个月球的极轨，BDotR=8000，BDotT=0。

具体的微分修正器设计见上图，结果如下，实现了收敛。

然后，在上述收敛的基础上调整飞行时间。飞行时间是在Propagate --> Results --> Segments --> Difference Across Segments。字面意思是跨越段之间的偏差。这里CalcObject选择是Epoch，OtherSegment选择Target Sequence.Maneuver。

添加完成后，可以发现目前的飞行时间是176727s。