一种飞行器再入飞行管道快速计算方法技术

本发明专利技术专利公开一种飞行器再入飞行管道快速计算方法，包括：S000、建立飞行器再入三自由度动力学方程；S001、选择动力学方程中的随机变量；S002、选择随机变量采样点形成采样集；S003、遍历采样集中的采样点，计算飞行器从再入点到开伞点的飞行轨迹形成轨迹集；S004、选择变量对飞行轨迹集中的数据进行插值；S005、将轨迹集中的数据转换到地心固定坐标系；S006、计算再入误差管道；S007、计算管道投影坐标系；本发明专利技术在保证计算精度的条件下，提高计算的效率，满足实际飞行任务对精度和实时性的要求；通过选择适当的管道投影坐标系，将传统的误差椭球投影到设计的管道平面，全局性地显示飞行器在整个再入过程轨迹的不确定性。示飞行器在整个再入过程轨迹的不确定性。示飞行器在整个再入过程轨迹的不确定性。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器再入飞行管道快速计算方法


[0001]本专利技术属于航天器再入与回收
，具体涉及一种飞行器再入飞行管道快速计算方法。

技术介绍

[0002]从外太空返回地球的飞行器在再入大气层后，由于受到再入位置、速度、飞行器自身质量、升力系数、阻力系数和大气密度等不确定性的影响，再入飞行轨迹具有一定的不确定性。
[0003]考虑飞行器再入过程中诸多不确性参数的综合影响，快速计算飞行器再入轨迹的数学期望和误差散布，对提高航天搜救能力，判断飞行器再入过程中的飞行状态都具有重要作用。
[0004]飞行器再入轨迹数学期望与误差散布计算是一个高维非线性随机系统不确定性预测问题，现有的方法有蒙特卡洛抽样打靶法和协方差分析法等。蒙特卡洛抽样打靶法具有方法简单和适用面广的优点，但需要大批量抽样，计算要求高，不能满足飞行任务实时性要求。协方差分析法具有计算简单，实时性强的优点，但对飞行器再入这种强非线性系统，计算精度差，不能满足飞行任务对再入精度预测的要求。
[0005]飞行器轨迹的不确定性常用协方差矩阵和误差椭球的方式显示，如美国Analytical Graphics公司开发的卫星系统分析软件STK。误差椭球适合图形化的显示飞行器在空间单个点的不确定性，不适合显示从再入点到开伞点整个再入过程中的不确定性。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种飞行器再入不确定性快速计算方法。通过合理的选择随机变量采样集，有效地降低不确定性计算对抽样次数的依赖，在保证计算精度的条件下，提高计算的效率，满足实际飞行任务对精度和实时性的要求；通过选择适当的管道投影坐标系，将传统的误差椭球投影到设计的管道平面，全局性地显示飞行器在整个再入过程轨迹的不确定性。
[0007]本专利技术提供的计算方法，包括以下步骤：
[0008]S000、建立飞行器再入三自由度动力学方程；
[0009]S001、选择动力学方程中的随机变量；
[0010]S002、选择随机变量采样点形成采样集；
[0011]S003、遍历采样集中的采样点，计算飞行器从再入点到开伞点的飞行轨迹形成轨迹集；
[0012]S004、选择变量对飞行轨迹集中的数据进行插值；
[0013]S005、将轨迹集中的数据转换到地心固定坐标系；
[0014]S006、计算再入误差管道；
[0015]S007、计算管道投影坐标系；
[0016]S008、将误差管道从投影坐标系转化到地心固定坐标系；
[0017]S009、计算误差管道上每一个点的地理纬经高，形成飞行管道显示数据。
[0018]优选地,S001中随机变量选择方式包括：
[0019]S0010、飞行器再入点位置三个分量；
[0020]S0011、飞行器再入点速度三个分量；
[0021]S0012、飞行器阻力系数；
[0022]S0013、飞行器升力系数；
[0023]S0014、飞行器质量；
[0024]S0015、大气密度；
[0025]S0016、S0010
‑
S0015的任意组合。
[0026]优选地，S002中采样集生成的数学模型为
[0027][0028]其中为S001选择的随机变量的数学期望，P
δ
为S001选择的随机变量的协方差矩阵，λ＝L(α2‑
1)，()
i
为矩阵的第i行，L为S001选择的随机变量的数目，α为常数，随机变量采样集中采样点的数目为2L+1。
[0029]优选地，S006包括：
[0030]S0061、管道中心线的数学模型为
[0031][0032]其中κ
i
＝[x
i y
i z
i
]T
为插值处理后的飞行器在地心固定系的位置参数，i为S003中的采样集第i个采样点；
[0033]权重系数ω
m
为
[0034][0035]S0062、管道中心线协方差矩阵的数学模型为
[0036][0037]其中权重系数ω
c
为
[0038][0039]其中β为常数，描述了随机变量概论密度分布的先验知识。
[0040]S0063、管道半径的数学模型为
[0041][0042]优选地，S007中管道投影坐标系的选择方式包括：
[0043]S0071、frenet坐标系的数学模型为
[0044][0045]其中T为管道中心线切线方向，计算公式为
[0046][0047]其中[x,y,z]为管道中心线在地心固定坐标系中x、y、z轴方向的分量，i为当前时刻；
[0048]N为管道中心线法向方向，计算公式为
[0049][0050]B为管道中心线副法向方向，计算公式为
[0051][0052]S0072、LVLH坐标系的数学模型为
[0053][0054]其中r、v分别为当前时刻管道中心线在地心坐标系的位置矢量和速度矢量。在一个具体实施例中,所述S008包括：
[0055]S0081、在再入管道上均匀取N个点，数学模型为
[0056][0057]S0082、管道投影坐标系中，管道上点的数学模型为：
[0058]P
T
＝[0 R(t)cosθ R(t)sinθ]T
[0059]其中R(t)为S0061中计算的管道半径。
[0060]S0083、管道投影坐标系中的点转化到地心固定坐标系的数学模型为
[0061][0062]其中为管道中心线，R
T
为R矩阵的转置。
[0063]本专利技术的有益效果如下：
[0064]1.本专利技术提出了一种飞行器再入不确定性快速计算方法，通过提出的方法选择飞行器再入过程中随机变量的采样集，有效地降低飞行器再入过程中不确定性计算对随机变量抽样次数的依赖，在保证计算精度的条件下，提高了计算的效率，可以满足实际飞行任务对精度和实时性的要求。
[0065]2.通过嫦娥五号和神舟十二号实际飞行任务的验证，该方法可以在10分钟内完成一次再入飞行管道的计算；通过frenet和LVLH两种管道投影坐标系，采用误差椭球与投影平面相交的方式，将传统的误差椭球投影到设计的管道平面，克服了误差椭球无法全局显示飞行器再入过程中轨迹不确定性的问题。
附图说明
[0066]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0067]图1示出根据本专利技术实施例的一种飞行器再入不确定性快速计算流程图。
[0068]图2示出根据本专利技术实施例的L＝2、随机变量采样点形成的采样集二维分布示例图。
[0069]图3示出根据本专利技术实施例的再入管道半径与再入高度关系示例图。
[0070]图4示出根据本专利技术实施例的误差椭球向管道投影面投影示例图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器再入飞行管道快速计算方法，其特征在于，包括：以下步骤：S000、建立飞行器再入三自由度动力学方程；S001、选择动力学方程中的随机变量；S002、选择随机变量采样点形成采样集；S003、遍历采样集中的采样点，计算飞行器从再入点到开伞点的飞行轨迹形成轨迹集；S004、选择变量对飞行轨迹集中的数据进行插值；S005、将轨迹集中的数据转换到地心固定坐标系；S006、计算再入误差管道；S007、计算管道投影坐标系；S008、将误差管道从投影坐标系转化到地心固定坐标系；S009、计算误差管道上每一个点的地理纬经高，形成飞行管道显示数据。2.根据权利要求1所述的飞行器再入飞行管道快速计算方法，其特征在于，所述S001中随机变量选择方式包括以下子步骤：S0010、飞行器再入点位置三个分量；S0011、飞行器再入点速度三个分量；S0012、飞行器阻力系数；S0013、飞行器升力系数；S0014、飞行器质量；S0015、大气密度；S0016、S0010
‑
S0015的任意组合。3.根据权利要求1所述的飞行器再入飞行管道快速计算方法，其特征在于，所述S002中采样集生成的数学模型为：其中为S001选择的随机变量的数学期望，P
δ
为S001选择的随机变量的协方差矩阵，λ＝L(α2‑
1)，()
i
为矩阵的第i行，L为S001选择的随机变量的数目，α为常数，随机变量采样集中采样点的数目为2L+1。4.根据权利要求1所述的飞行器再入飞行管道快速计算方法，其特征在于，所述S004中的选择插值变量包括：S0041：对于跳跃式再入飞行器，插值变量可以选择飞行器再入点到开伞点的地理纬度或经度；S0042：:对于直接再入式飞行器，插值变量可以选择飞行器再入点到开伞点的地理纬度、经度或高度。5.根据权利要求1所述的飞行器再入飞行管道快速计算方法，其特征在于，所述S006中再入误差管道的计算模型为：S0061：管道中...

【专利技术属性】
技术研发人员：杏建军，卞韩城，罗世彬，涂国勇，廖俊，廖宇新，王晓光，王正军，胡增辉，秦志刚，程乾，高杰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：