地外天体软着陆增广曲率制导方法技术

本发明专利技术公开的地外天体软着陆增广曲率制导方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术实现方法为：建立探测器在行星表面固连坐标系下的动力学方程。根据轨迹几何曲率理论，结合能量最优制导律，建立构建轨迹曲率制导的基本形式并推导得到曲率制导的拓展形式。在轨迹曲率制导律中，通过推力补偿项表征探测器是否在障碍影响区域以及施加在障碍影响区域的补偿推力，得到地外天体软着陆增广曲率制导律，补偿推力仅作用于地形障碍附近一定空间区域，能耗更接近能量最优制导律。利用求取的加速度进行地外天体软着陆的制导，进一步提升探测器面对地表障碍时的相对高度，进而提升探测器面对地表障碍的避障能力。本发明专利技术还具有实时性高的优点。本发明专利技术还具有实时性高的优点。本发明专利技术还具有实时性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
地外天体软着陆增广曲率制导方法


[0001]本专利技术涉及一种地外天体软着陆增广曲率制导方法，属于深空探测


技术介绍

[0002]行星安全着陆制导问题是行星探测的重要问题，关系到整个行星着陆任务的成败。随着航天技术的不断发展和空间科学研究目标的不断提高，未来的行星探测任务将趋向于在具有更高科学价值的区域执行着陆任务，这些区域往往形貌复杂，表面崎岖不平，存在大量的岩石、斜坡、凹陷、丘陵等地形障碍，对行星探测器的安全构成威胁，致使目标天体表面的着陆任务难度增大。以能量最优反馈制导律为基础的轨迹曲率制导方法，通过控制着陆轨迹曲率函数的符号，使探测器沿几何凸轨迹下降。该方法有利于提高探测器的地形障碍规避能力和扩大着陆区域的可观测范围。

技术实现思路

[0003]本专利技术公开的地外天体软着陆增广曲率制导方法要解决的技术问题为：在地形障碍附近空间设计补偿推力，利用补偿推力在传统的轨迹曲率制导律的基础上设计地外天体软着陆增广曲率制导律，以提升探测器飞行轨迹高度，提高探测器避障能力和在地外天体复杂形貌环境附着的安全性。具有如下的优点：(1)能够进一步提升探测器面对地表障碍时的相对高度，保障表面障碍相对于探测器初始高度较高时，探测器的安全着陆。(2)与轨迹曲率制导方法相比，本方法所需能耗较更低。(3)该制导律为解析制导律，形式简单，解算效率高，能够提升制导律在探测器星载计算机上的实时性。
[0004]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0005]本专利技术公开的地外天体软着陆增广曲率制导方法，建立探测器在行星表面固连坐标系下的动力学方程。根据轨迹几何曲率理论，结合能量最优制导律，建立构建轨迹曲率制导的基本形式并推导得到曲率制导的拓展形式。在轨迹曲率制导律中，通过推力补偿项表征探测器是否在障碍影响区域以及施加在障碍影响区域的补偿推力，得到地外天体软着陆增广曲率制导律。利用求取的加速度进行地外天体软着陆的制导，进一步提升探测器面对地表障碍时的相对高度，进而提升探测器面对地表障碍的避障能力。
[0006]本专利技术公开的地外天体软着陆增广曲率制导方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：建立目标行星的表面固连直角坐标系，建立该坐标系下的探测器动力学方程。
[0008]以目标着陆点为原点O建立行星表面固连直角坐标系O
‑
XYZ，其中Z轴垂直于着陆点所在位置局部地平面，正方向指向目标天体外部；X轴在着陆点所在位置局部地平面内，与Z轴正方向和目标天体自转方向的叉乘矢量重合，Y轴与X轴、Z轴共同组成右手坐标系。
[0009]探测器在表面固连系上运动时，行星自转引起的惯性力和其他扰动力与发动机产生的控制力和行星重力相比，对探测器运动影响较小，忽略行星自转引起的惯性力和其他扰动力。在着陆避障阶段，由于探测器运动时间较短，其所受重力加速度g等效为常数矢量，
探测器系统动力学方程为
[0010][0011]其中，r＝[r
x
,r
y
,r
z
]T
和v＝[v
x
,v
y
,v
z
]T
分别表示探测器在表面固连系下的位置和速度，T＝[T
x
,T
y
,T
z
]T
和a＝[a
x
,a
y
,a
z
]T
分别表示探测器控制力和控制加速度在表面固连系的三轴分量，m表示探测器的质量，I
sp
表示发动机比冲，g
e
为地球海平面处的重力加速度。
[0012]步骤2：根据探测器当前状态计算着陆所需剩余时间t
go
，根据轨迹几何曲率理论，结合能量最优制导律，建立构建轨迹曲率制导的基本形式，并根据轨迹曲率制导的基本形式推导得到曲率制导的拓展形式。
[0013]根据探测器当前状态X＝[r
T
,v
T
]T
计算着陆所需剩余时间t
go
，为式(2)所示方程的正实数根。
[0014][0015]为使得探测器沿着凸轨迹着陆，首先需要判断轨迹在当前状态的凹凸性趋势。根据轨迹几何曲率理论，轨迹在XOZ平面内为凸的条件是
[0016]v
x
(r
z
v
x
‑
r
x
v
z
)＞0
ꢀꢀꢀ
(3)
[0017]轨迹在YOZ平面内为凸的条件是
[0018]v
y
(r
z
v
y
‑
r
y
v
z
)＞0
ꢀꢀꢀ
(4)
[0019]对于XOZ或YOZ平面，若探测器初始状态满足v
x
(r
z
v
x
‑
r
x
v
z
)＜0或v
y
(r
z
v
y
‑
r
y
v
z
)＜0，需要t
c
时间段的常加速度将凹状态转变为凸轨迹状态，上角标“0”表示着陆段的初始时刻；若探测器初始状态满足v
x
(r
z
v
x
‑
r
x
v
z
)＞0或v
y
(r
z
v
y
‑
r
y
v
z
)＞0且在解析最优制导律下出现转向点时，需从转向点开始施加t
c
时间段的常加速度，且“TP”表示转向点，表示转向点时刻的剩余飞行时间。若不出现转向点，此时的轨迹曲率制导即为解析的最优制导。
[0020]联立公式(3)和(4)，并结合解析的能量最优制导律，构建轨迹曲率制导的基本形式如式(5)所示
[0021][0022]为得到曲率制导的拓展形式，常加速度的大小表示为
[0023]a
TP
＝na
OTP
ꢀꢀꢀ
(6)
[0024]式中，a
OTP
为在转向点通过解析最优制导律计算得到的加速度，n为正实数，定义为加速度系数。
[0025]步骤3：在轨迹曲率制导律中，通过推力补偿项γa
com
表征探测器是否在障碍影响区域以及施加在障碍影响区域的补偿推力，得到地外天体软着陆增广曲率制导方法。通过分别定义补偿推力a
com
、补偿推力的开关函数γ的具体形式和对探测器作用范围，得到地外天体软着陆增广曲率制导方法在X、Y、Z轴的分量形式。通过地外天体软着陆增广曲率制导方法，进一步提升探测器面对地表障碍时的相对高度，进而提升探测器面对地表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.地外天体软着陆增广曲率制导方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：建立目标行星的表面固连直角坐标系，建立该坐标系下的探测器动力学方程；步骤2：根据探测器当前状态计算着陆所需剩余时间t
go
，根据轨迹几何曲率理论，结合能量最优制导律，建立构建轨迹曲率制导的基本形式，并根据轨迹曲率制导的基本形式推导得到曲率制导的拓展形式；步骤3：在轨迹曲率制导律中，通过推力补偿项γa
com
表征探测器是否在障碍影响区域以及施加在障碍影响区域的补偿推力，得到地外天体软着陆增广曲率制导方法；通过分别定义补偿推力a
com
、补偿推力的开关函数γ的具体形式和对探测器作用范围，得到地外天体软着陆增广曲率制导方法在X、Y、Z轴的分量形式；通过地外天体软着陆增广曲率制导方法，进一步提升探测器面对地表障碍时的相对高度，进而提升探测器面对地表障碍的避障能力；步骤4：利用步骤3得到的地外天体软着陆增广曲率制导方法在x、y、z轴的分量形式进行行星着陆制导，进一步提高探测器面对地表障碍时的相对高度，实现在复杂区域内飞行时的障碍规避和精确着陆；此外，通过步骤3构建的补偿推力的开关函数γ使得补偿推力a
com
仅施加在障碍影响区域，进而缩短补偿推力a
com
作用时间，降低探测器在地外天体软着陆过程中的能量消耗。2.如权利要求1所述的地外天体软着陆增广曲率制导方法，其特征在于：步骤1实现方法为，以目标着陆点为原点O建立行星表面固连直角坐标系O
‑
XYZ，其中Z轴垂直于着陆点所在位置局部地平面，正方向指向目标天体外部；X轴在着陆点所在位置局部地平面内，与Z轴正方向和目标天体自转方向的叉乘矢量重合，Y轴与X轴、Z轴共同组成右手坐标系；探测器在表面固连系上运动时，行星自转引起的惯性力和其他扰动力与发动机产生的控制力和行星重力相比，对探测器运动影响较小，忽略行星自转引起的惯性力和其他扰动力；在着陆避障阶段，由于探测器运动时间较短，其所受重力加速度g等效为常数矢量，探测器系统动力学方程为其中，r＝[r
x
,r
y
,r
z
]
T
和v＝[v
x
,v
y
,v
z
]
T
分别表示探测器在表面固连系下的位置和速度，T＝[T
x
,T
y
,T
z
]
T
和a＝[a
x
,a
y
,a
z
]
T
分别表示探测器控制力和控制加速度在表面固连系的三轴分量，m表示探测器的质量，I
sp
表示发动机比冲，g
e
为地球海平面处的重力加速度。3.如权利要求2所述的地外天体软着陆增广曲率制导方法，其特征在于：步骤2实现方法为，根据探测器当前状态X＝[r
T
,v
T
]
T
计算着陆所需剩余时间t
go
，为式(2)所示方程的正实
数根；为使得探测器沿着凸轨迹着陆，首先需要判断轨迹在当前状态的凹凸性趋势；根据轨迹几何曲率理论，轨迹在XOZ平面内为凸的条件是v
x
(r
z
v
x
‑
r
x
v
z
)＞0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)轨迹在YOZ平面内为凸的条件是v
y
(r
z
v
y
‑
r
y
v
z
)＞0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)对于XOZ或YOZ平面，若探测器初始状态满足v
x
(r
z
v
x
‑
r
x
v
z
)＜0或v
y
(r
z
v
y
‑
r
y
v
z
)＜0，需要t
c
时间段的常加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱圣英，杨贺，崔平远，徐瑞，梁子璇，龙嘉腾，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：