Regular Quaternion Equations of the Spatial Hill Problem in Kustaanheimo–Stiefel Variables and Quaternion Osculating Elements

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Regular quaternion equations of the spatial Hill problem (a variant of the limited three-body problem (Sun, Earth, Moon (or another low-mass moving cosmic body under study)) are obtained, when the distance between two bodies with finite masses is considered very large, in four-dimensional Kustaanheimo-Stiefel variables (KS-variables) within the framework of the elliptical and circular spatial bounded three-body problem, as well as the regular quaternion equations of the planar Hill problem in two-dimensional Levi-Civita variables. In these equations, the variables are KS-variables or Levi-Civita variables and the energy of relative motion of the body under study, or a variable that converts for the circular Hill problem into a constant of motion of this body (the Jacobi integration constant), as well as the planetocentric distance of the Sun and real time associated with a new independent variable by the Sundman differential transformation of time or other more complex differential ratio. These equations are supplemented by the equation of the Earth’s orbit in polar coordinates and the equation for the true anomaly characterizing the Earth’s position in the orbit. The first integral of the obtained equations in KS-variables in the case of a circular problem is established. Another first partial integral in the general case is a bilinear relation connecting KS-variables and their first derivatives. Three new forms of regular equations of the spatial Hill problem in quaternion osculating elements (slowly changing quaternion variables) are proposed. The proposed regular quaternion equations have an oscillatory form or the form of equations with slowly changing variables, which makes it possible to effectively use analytical and numerical methods of oscillation theory and methods of nonlinear mechanics in the study of the Hill problem.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Yu. N. Chelnokov

Institute for Problems of Precision Mechanics and Control of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: chelnokovyun@gmail.com
Russian Federation, Saratov

References

  1. Abalakin V.K., Aksenov E.P., Grebenikov E.A., Demin V.G., Ryabov Yu.A. Reference Guide to Celestial Mechanics and Astrodynamics. Moscow: Nauka, 1976. (in Russian)
  2. Duboshin G.N. Celestial Mechanics. Analytical and Qualitative Methods. Moscow: Nauka, 1978. (in Russian)
  3. Subbotin M.F. Introduction to Theoretical Astronomy. Moscow: Nauka, 1968. 800 p. (in Russian)
  4. Szebehely V. Theory of Orbits: The Restricted Problem of Three Bodies. N.Y.: Acad. Press, 1967. 668 p.
  5. Stiefel E.L., Scheifele G. Linear and Regular Celestial Mechanics. Berlin: Springer, 1971.
  6. Bordovitsyna T.V. Modern Numerical Methods in Problems of Celestial Mechanics. Moscow: Nauka, 1984. 136 p. (in Russian)
  7. Bordovitsyna T.V., Avdyushev V.A. The Theory of Motion of Artificial Earth Satellites. Analytical and Numerical Methods. Tomsk: Izd-vo Tom. un-ta, 2007. 178 p. (in Russian)
  8. Fukushima T. Efficient orbit integration by linear transformation for Kustaanheimo–Stiefel regularization // Astron. J., 2005, vol. 129, no. 5, art. no. 2496. https://doi.org/10.1086/429546
  9. Fukushima T. Numerical comparison of two-body regularizations // Astron. J., 2007, vol. 133, no. 6, art. no. 2815.
  10. Chelnokov Y.N., Loginov M.Y. New quaternion models of spaceflight regular mechanics and their applications in the problems of motion prediction for cosmic bodies and in inertial navigation in space // 28th St. Petersburg Int. Conf. on Integrated Navigation Systems, ICINS 2021, 9470806.
  11. Chelnokov Yu.N., Sapunkov Ya.G., Loginov M.Yu., Schekutev A.F. Prediction and correction of the orbital motion of spacecraft using regular quaternion equations and their solutions in the Kustaanheimo–Stiefel variables and isochronic derivatives // Mech. of Solids, 2023, vol. 58, no. 7. pp. 2478–2503.
  12. Lidov M.L. Increasing the dimension of Hamiltonian systems. KS-transformation, the use of partial integrals // Kosmich. Issled., 1982, vol. 20, no. 2, pp. 163–176. (in Russian)
  13. Lidov M.L. A method for constructing a family of spatial periodic orbits in the Hill problem // Kosmich. Issled., 1982, vol. 20, no. 6. pp. 787–807. (in Russian)
  14. Lidov M.L., Lyakhova V.A. Families of spatial periodic orbits of the Hill problem and their stability // Kosmich. Issled., 1983, vol. 21, no. 1, pp. 3–11. (in Russian)
  15. Chelnokov Yu.N. On the regularization of the equations of the spatial problem of two bodies // Izv. AN SSSR. MTT, 1981, no. 6, pp. 12–21. (in Russian)
  16. Chelnokov Yu.N. On the regular equations of the two-body spatial problem // Izv. AN SSSR. MTT, 1984, no. 1, pp. 151–158. (in Russian)
  17. Waldvogel J. Quaternions and the perturbed Kepler problem // Celest. Mech.&Dyn. Astron., 2006, vol. 95, pp. 201–212.
  18. Waldvogel J. Quaternions for regularizing celestial mechanics: the right way // Celest. Mech.&Dyn. Astron, 2008, vol. 102, no. 1, pp. 149–162.
  19. Chelnokov Yu.N. Quaternion methods and models of regular celestial mechanics and astrodynamics // Appl. Math.&Mech., 2022, vol. 43, no. 1, pp. 21–80. https://doi.org/10.1007/s10483-021-2797-9
  20. Chelnokov Yu.N. Quaternion and biquaternion methods and regular models of analytical mechanics (review) // Mech. of Solids, 2023, vol. 58, no. 7, pp. 2450–2477. https://doi.org/10.3103/S0025654423070051
  21. Chelnokov Yu.N. Quaternion regularization of singularities of astrodynamics models generated by gravitational forces (review) // Mech. of Solids, 2023, vol. 58, no. 8, pp. 2855–2883. https://doi.org/10.3103/S0025654423080071
  22. Aarseth S.J. and Zare K.A. Regularization of the Three-Body Problem // Celest. Mech., 1974, vol. 10, pp. 185–205.
  23. Aarseth S.J. Gravitational N-Body Simulations. N.Y.: Cambridge Univ. Press, 2003. 408 p.
  24. Chelnokov Yu.N. Quaternion regularization of the equations of the perturbed spatial restricted three-body problem: I // Mech. of Solids, 2017, vol. 52, no. 6, pp. 613–639.
  25. Chelnokov Yu.N. Quaternion regularization of the equations of the perturbed spatial restricted three-body problem: II // Mech. of Solids, 2018, vol. 53, no. 6. pp. 633–650.
  26. Chelnokov Yu.N. Quaternion methods and regular models of celestial mechanics and space flight mechanics: local regularization of the singularities of the equations of the perturbed spatial restricted three-body problem generated by gravitational forces // Mech. of Solids, 2023, vol. 58, no. 5, pp. 1458–1482. https://doi.org/10.3103/S0025654422601264
  27. Batkhin A.B., Batkhina N.V. Periodic solutions of the second genre in the vicinity of Hill’s problem family g // Sci. J. of Volgograd State Univ. Math. Phys., 2003, no. 8, pp. 167–181. (in Russian)
  28. Batkhin A.B. Generating planar periodic orbits of the Hill’s problem // Preprint of the Keldysh Inst. of Appl. Math. of RAS, Moscow, 2010. no. 47. (in Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».