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月球导航通信中继星座是月球探测计划中的重要组成部分。利用地月系平动点构建导航通信星座,可以支持地月系空间和深空探测部分段的中继通信,实现对近地、地月转移、近月的地月系空间飞行器的高精度自主导航服务。本文针对地月系圆型限制性三体问题(CRTBP)意义下的星座构型问题,明确了平动点轨道与受摄二体轨道的不同内在力学机制,研究了平动点附近的动力学特性和导航性能,搭建了基于不变流形的平动点轨道转移技术和星座重构设计方法。通过构建平动点轨道和代表性平动点星座,揭示了L1和L2平动点轨道对深空导航星座的贡献。论文的主要工作如下: 1.建立了平动点Halo轨道族的构造参数模型和快速搜索路径。分析提出了Halo轨道的设计参数,基于给定的参数确定Halo轨道上卫星的位置。绘制了地月系L1点和L2点附近的两个Halo轨道族,可以为从L1点至月球再至L2点范围内的空间探测快速提供候选周期轨道。基于不变流形理论研究了Halo轨道对应的稳定和不稳定流形,为Halo星座的建立与轨道转移提供基础。 2.建立了基于流形的平动点轨道转移设计体系。以CRTBP模型为基本框架,基于平动点轨道的运动稳定性和不变流形的力学特性,实现了基于不变流形的低能轨道转移。针对Halo卫星的发射,分别计算了传统Hohmann转移、流形转移以及小推力轨道转移的速度增量消耗和转移时间,对比分析了不同转移方式的适用性。 3.提出了一种结合二体问题和三体问题的轨道优化转移算法。该方法适用于平动点轨道间、平动点轨道与二体轨道间的轨道转移。为了减少发射的成本,将月球探测任务与平动点任务结合,以月球冻结轨道卫星的发射为例,分析了卫星轨道转移方法,实现多任务和机动任务的有机结合,节省任务花费,提高了卫星发射效率,可以为将来月球卫星或者货运飞船的发射提供设计借鉴。 4.搭建了平动点卫星星座的性能评价体系。从覆盖性、星座构型、星座维持等方面分析了某代表星座的性能。(1)覆盖性;当选取Halo轨道z向的幅值在0.2以上时,每个周期内Halo轨道卫星对南极或北极的覆盖可以保持在6天以上,覆盖效果较好。(2)星座构型;设计几种基于月球轨道的星座,对比评估了几种月球星座的性能,其中基于L1、L2点附近的Halo卫星分别针对月球正面和背面,可以提供良好的测控和通讯服务。(3)月球探测任务。针对我国的探月工程任务,分析了平动点星座对探月卫星发射、地月转移、环绕月球以及落月等不同阶段的覆盖性以及链路性能,为后续的登月任务以及深空探测提供支持。