基于二叉树的太阳系小天体数值历表建立方法

在小天体深空探测任务中,经常需要调用力模型较完备的精确小天体数值历表,然而由于部分小天体可能有较大的轨道偏心率以及存在近距离飞越大行星的可能,导致传统的等区间分段切比雪夫多项式插值方法不适用于构建这些小天体的数值历表.在传统方法基础上采用结合误差自适应的二分法对原始轨道进行分段,并采用二叉树结构来组织所有的分段区间,能解决历表读取中的系数反查问题.以大偏心率近地小行星4179 Toutatis和3200 Phaethon、大偏心率彗星2P/Encke以及将近距离飞越地球的99942 Apophis小行星为例,通过数值仿真证实了该算法的有效性.由于该方法没有对小天体的轨道性质做任何要求,因此能够作为构建太阳系小天体数值历表的通用方法,可应用于大量目标小天体的精确轨道设计中.     

太阳质量变化对小行星轨道根数的影响

利用变质量天体力学方法研究了太阳质量变化对小行星轨道根数的影响,质量变化包括因光子辐射和太阳造成的质量损失以及因太阳吸积周围星际物质造成的质量增加两个联合因素,利用Gylden-Meshcherskii(G-M)型变质量天体轨道根数变化方程的一阶和二阶解对7颗小行星轨根数的长期和周期性的影响作了数值计算,在一阶解中太阳质量流失对小行星轨道半长轴,轨道偏心率和近点辐角的变化率产生增大作用,而质量吸积起减小作用,在二阶解中两者起到增大作用,不过质量流失不大于质量吸积的作用,故总的趋势是使半长轴,偏心率和近点辐角的变化率增大。     

一种适用于大偏心率轨道密集星历精密计算的快速处理方法

空间目标探测和编目是航天器安全的重要课题, 空间目标数量巨大, 造成轨道计算的工作量十分繁重. 分析方法虽然计算速度快, 却不能适应高精度观测资料的处理工作, 因而数值方法将成为目标轨道计算的重要方法. 空间目标编目工作普遍涉及密集星历的产生和计算问题, 针对这一问题的大偏心率轨道数值计算目前尚未形成兼具计算精度和计算效率的有效技术手段, 难以满足编目工作的处理要求. 在此背景下, 提出一种适用于大偏心率轨道密集星历精密计算的快速处理方法, 并通过数值实验对模型参数进行优选, 最后通过计算实例证实了该计算方案的优越性.     

低质量Kepler行星的潮汐演化研究

Kepler空间计划发现了大量半径小于4 R_⊕(R_⊕为地球半径)的近轨道行星,成为Kepler探测的特色之一,它们对当前的行星形成模型提出了新的挑战.行星与其中心恒星之间的潮汐效应对重塑这类行星的轨道构型具有重要影响.基于各种初始的轨道分布数值模拟了近轨道、低质量行星的潮汐演化,定性地给出了行星最后的轨道分布特征,轨道半长轴和峰值均随着初始的半长轴和偏心率增大而变大.对于初始的平均半长轴在0.1au以内,平均偏心率大于0.25时,数值模拟结果与观测比较接近.潮汐耗散系数、恒星和行星的质量等相关参数对潮汐演化后的半长轴分布影响都比较小.基于数值模拟结果,尝试了揭示低质量行星的形成机制:它们很可能形成于原行星盘的较远处,具有中等的轨道偏心率,后来在原行星盘中经历了Ⅰ类迁移到达目前的轨道,但是这不能排除行星的当地形成机制.     

关于海卫Ⅱ运动理论的探讨

本工作试图建立轨道偏心率特别大(e=0.75)的海卫H(Nereid)的运动理论,并用适当方法避免摄动函数的一阶部分中含有长周期项的困难,给出相应的一阶摄动解。     

晚型巨星FKCom的射电观测研究

本文作者使用美国ＶＬＡ，对快速目转的晚型巨星ＦＫＣｏｍ在３．６、６、１８、２０厘米波长上进行了射电观测，探测到ｍＪｙ量级的射电辐射，而没有探测到圆偏振。我们用热模型对射电频谱进行了拟合，结果都不成功。当发射体内电子密度为９×１０８ｃｍ－３，温度为５×１０７Ｋ时，半径为１２０Ｒ⊙．可获得较为接近的流量，但１０９量级的电子密度不大可能扩展到如此大的范围。这样的发射体用热模型得到的Ｘ射线光度比Ｅｉｎｓｔｅｉｎ天文台所观测到的值大两个数量级。ＦＫＣｏｍ的射电光度和Ｘ射线光度与ＲＳＣＶｎ双星系统相近，如果ＦＫＣｏｍ的射电发射也是由相对论电子在中等强度的磁场中作加速运动产生的话，则在１０高斯磁场中半径为３Ｒ⊙左右的发射区在相应波段即可达到观测的流量值。     

行星长期摄动研究

本文讨论了行星一阶长期摄动的研究方法。在高斯方法的基础上,推导了一些具体应用公式,从而计算研究了在大约210万年期间太阳系九大行星的轨道演化。文中应用的方法,对于任意大小的偏心率和倾角的轨道,原则上都是适用的。     

热海王星系统HD 106315的近$2:1$ 平运动共振捕获与轨道演化

通过结合理论分析和数值模拟方法,可以对热海王星系统HD 106315轨道迁移中的近2:1平运动共振捕获机制以及潮汐作用下的演化过程进行研究.在轨道迁移阶段,初始轨道半长径、初始偏心率以及行星c的偏心率衰减系数K会对系统轨道构型产生影响.数值模拟结果显示当初始轨道半长径分别为ab～0.4 au、ac～0.8 au,偏心率eb和ec均小于0.03时, HD 106315b和HD 106315c在中央恒星的引力作用以及原行星盘粘滞作用下向内迁移, 65000 yr左右两颗行星均可迁移至当前观测位置附近并形成近2:1平运动共振捕获.此外,中央恒星的潮汐效应也可能会对行星系统共振构型产生影响,理论分析表明当行星潮汐耗散系数Q=100时,潮汐效应造成的轨道半长径衰减使系统轨道周期比发生的变化可能是系统脱离共振构型的原因.数值模拟结果显示, HD 106315系统内两颗行星Q103时,来自中央恒星的潮汐效应并不会使行星系统产生明显的偏心率和轨道半长径衰减,不足以使HD 106315行星系统在剩余寿命内脱离2:1平运动共振轨道构型.     

利用太阳光压的大偏心率伴飞卫星轨道控制

提出了利用太阳帆进行大偏心率伴飞卫星轨道控制的方法.伴飞卫星围绕其惯量主轴做角速度恒定的自转,其惯量主轴在惯性系内指向保持不变.对伴飞卫星的控制分为轨道面的控制和轨道面内控制两部分.在控制过程中,优先考虑轨道面内的控制,在轨道面内控制不能进行(或者因为几何原因不能进行轨道面内控制)时,进行轨道面的控制.通过滑膜控制方法(Sliding Mode Control)计算轨道面内控制需要的控制力的方向和大小.得到需求的控制力要求后,推算出在控制过程中太阳帆相对于伴飞卫星主体的角度解析表达式.通过控制太阳帆的方向得到所需的不同的控制力.整个控制过程只针对伴飞卫星,主星处于自然飞行状态.最后对于这种控制方法进行数值验证.在无摄运动状态下通过控制系统进行伴飞轨道的轨道调整和误差消除,在考虑4阶非球形引力和第三体引力摄动情况下进行伴飞轨道的轨道维持.数值结果表明通过这种控制方法伴飞轨道能够保持轨道误差小于5 m.     

星径向位置摄动计算中的几个问题

为了对卫星轨道径向位置误差进行分析，本文将给出由地球北球形引力位引起的卫星径向摄动表达式。它将同时包含完整的卫星轨道道偏心率的０阶和１阶项，并给出径向位置摄动空间分布的一种简单计算方法，它可明显地节省计算机时。     

建立同步卫星精密星历表的最佳数值方法

简要介绍当前天体力学中常用的各种数值计算方法,结合同步卫星运动方程的特点和轨道解的性质,分析各种数值计算方法在同步卫星情况下使用的优劣,确定一次和分形式的Cowell方法是建立同步卫星精密星历表的最佳方法,最后通过有效的数值实验,给出不同精度要求下Cowell方法的最佳阶和相应的最大步长.     

辛方法的校正公式

1996年Wisdom等提出了对辛方法进行校正的概念和实践，现在继续对辛校正进行详尽讨论和数值比较，尤其对哈密顿函数可分解为一个主要部分和多个次要部分的一般情形，用Lie级数推导任意阶的各种辛算法的一次和二次辛校正公式并对一些算法给出具体的辛校正公式。又以日、木、土三体问题为模型进行数值实验，结果表明一次辛校正能提高精度，改善数值稳定性。计算效率也比较高，因而值得推荐使用，辛方法通常用大步长数值积分，这时二次辛校正并没有显著提高结果的精度，却大大增加了计算时间，不应予以推荐。     

Decoupling treatment of linear non-adiabatic non-radial pulsations of stars

A decoupling method is developed in this paper to deal with linear non-adiabatic non-radial pulsations of stars. The sixth order differential equation of linear pulsation is decomposed into a fourth order and a second order differential equations. The decoupling overcomes such difficulties encountered in the numerical solution as small domain and slowness of convergence and provides a natural guess solution needed in Henyey's method.     

Analytical theories of satellite motion constructed with a new package of formula manipulation and compared with numerical integration

Specialized to the Lie series based perturbation method of Kirchgraber and Stiefel (1978) a new computer algebra package called ANALYTOS has been developed for constructing analytical orbital theories either in noncanonical or canonical form. We present results on the (extended) Main Problem of orbital theory of artificial earth satellites and related issues. The order of the solutions achieved is generally one order higher than those known from literature. Moreover, the analytical orbits have been checked succesfully against precise numerical ephemerides. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

A generalized theory for line formation in a homogeneous magnetic field

The formation of spectral lines in a homogeneous magnetic field has been studied. A new method for solving the transfer equations for polarized light has been found. Using this method, the Stokes parameters may be derived without any special assumptions regarding the model atmosphere. With the line formed by pure absorption, the expressions for the Stokes parameters may easily be adapted to numerical calculations. In order to illustrate the method, the line profile for the Zeeman triplet 5250 has been calculated using a photospheric model atmosphere.     

Homotopy continuation method of arbitrary order of convergence for solving the hyperbolic form of Kepler’s equation

In this paper, an efficient iterative method of arbitrary integer order of convergence ≥ 2 has been established for solving the hyperbolic form of Kepler’s equation. The method is of a dynamic nature in the sense that, moving from one iterative scheme to the subsequent one, only additional instruction is needed. Most importantly, the method does not need any prior knowledge of the initial guess. A property which avoids the critical situations between divergent and very slow convergent solutions that may exist in other numerical methods which depend on initial guess. Computational Package for digital implementation of the method is given and is applied to many case studies.     

Partial derivatives used in trajectory estimation

The Peano-Baker method is applied to the integration of the variational equations to produce the partial derivatives used in satellite navigation. In this method the analytic form of the state transition partial derivatives can be factored so that numerical integration is applied only to the departures from a simplified analytical model.The advantage of using the Peano-Baker approach rather than direct integration of the variational equations is that with the Peano-Baker method numerical integration can be performed adequately with low order formulae and relatively large step sizes. Numerical results are indicated.     

Recent developments of integrating the gravitational problem ofN-bodies

This paper discusses the formulation and the numerical integration of large systems of differential equations occurring in the gravitational problem ofn-bodies.Different forms of the pertinent differential equations of motion are presented, and various regularizing and smoothing transformations are compared. Details regarding the effectiveness and the efficiency of the Kustaanheimo-Stiefel and of other methods are discussed. In particular, a method is described in which some of the phase variables are treated in the regularized system and others in the ordinary system. This mixed method of numerical regularization offers some advantages.Several numerical integration techniques are compared. A high order Runge-Kutta method, Steffensen's method, and a finite difference method are investigated, especially with regard to their adaptability to regularization.The role of integrals and integral invariants is displayed in controlling the accuracy of the numerical integration.Numerical results are described with 5, 25 and 500 bodies participating. These examples compare the various integration techniques, several regularization methods and different logics in treating binaries.     

关于数值求解卫星运动微分方程中的一个问题

本文阐明地球非球形引力位中的高阶次球谐项（ 即“短”波项） 对求解卫星运动微分方程的两类数值方法（ 单步法和多步法） 选择积分步长的不同影响,并以实际算例证实这一点。     

Finding how many isolating integrals of motion an orbit obeys

The correlation dimension, that is the dimension obtained by computing the correlation function of pairs of points of a trajectory in phase space, is a numerical technique introduced in the field of non-linear dynamics in order to compute the dimension of the manifold in which an orbit moves, without the need of knowing the actual equations of motion that give rise to the trajectory. This technique has been proposed in the past as a method to measure the dimension of stellar orbits in astronomical potentials, that is the number of isolating integrals of motion the orbits obey. Although the algorithm can in principle yield that number, some care has to be taken in order to obtain good results. We studied the relevant parameters of the technique, found their optimal values, and tested the validity of the method on a number of potentials previously studied in the literature, using the Smaller Alignment Index (SALI), Lyapunov exponents and spectral dynamics as gauges.