【技术实现步骤摘要】
小天体附着可达域快速生成方法
[0001]本专利技术涉及一种可达域生成方法，尤其涉及一种小天体附着可达域快速生成方法，属于深空探测
。
技术介绍
[0002]小天体附着探测是实施采样返回
、
小天体防御以及未来进行小天体资源开发利用的重要前提
。
附着探测任务着陆点的选取需要综合考虑科学价值与工程安全性，要求着陆点是探测器能够到达的最佳位置，且具有最高科学回报
。
小天体附着可达域是指在给定初始条件及约束下探测器能够到达的小天体表面终端位置的集合，附着可达域的求解可以为上述着陆点的选取提供依据，在附着探测任务规划等方面具有重要意义
。
[0003]由于小天体形状不规则
、
引力场不均匀等特点，小天体附着可达域边界往往呈现出不规则的形状，最终导致附着轨迹优化问题的终端位置约束复杂，如果直接利用已有的方法进行求解，将会面临求解耗时长
、
效率低的问题
。
因此，需要针对小天体特性研究附着可达域快速生成方法
。
技术实现思路
[0004]针对小天体附着可达域求解过程中轨迹优化问题终端位置约束复杂
、
求解效率低的问题，本专利技术主要目的是提供一种小天体附着可达域快速生成方法，通过构建可达域边界点搜索策略，将复杂的非定点附着轨迹优化问题转化为定点附着燃耗优化与边界插值，并采用
B
样条曲线对可达域边界进行拟合，快速生成小天体附着可达域
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
小天体附着可达域快速生成方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一
、
以燃耗为优化性能指标，结合动力学约束
、
初始状态约束
、
终端状态约束和路径约束，建立小天体附着轨迹优化问题；求解该小天体附着轨迹优化问题，得到给定初始状态下附着所需最小燃耗及对应最优燃耗附着点
L0；步骤二
、
以步骤一得到的最优燃耗附着点
L0为基准点，通过搜索得到小天体表面与
L0相同经度的分别位于可达域内和可达域外的两点，将两点坐标进行插值得到边界点
P0坐标；步骤三
、
在步骤二得到
P0坐标的基础上，仅改变方向角，得到与
P0质心角相同的
α
i
=i
×
Δα
(i
＝
1,2,...,N)
方向上的点
P
i,0
，其中
Δα
为方向角变化步长；以
P
i,0
为基准点，搜索
α
i
方向上附着可达域边界点对应质心角
β
i
，得到边界点
P
i
；最终得到不同方向上的系列边界点
P1,P2,...,P
N
；步骤四
、
在步骤二和步骤三搜索得到可达域边界点
P0,P1,P2,...,P
N
后，将其作为原始数据，采用三次均匀
B
样条曲线对附着可达域边界进行拟合，拟合得到的
B
样条曲线即为小天体附着可达域边界
。2.
如权利要求1所述的小天体附着可达域快速生成方法，其特征在于：还包括步骤五：将步骤四得到的小天体附着可达域边界作为着陆点选取的依据，综合考虑科学价值和工程安全性，选取具有最高科学回报的位置作为着陆点
。
快速生成小天体附着可达域，为附着探测任务在线规划提供依据
,
提高小天体附着轨迹规划效率，提高小天体附着安全性
。3.
如权利要求1或2所述的小天体附着可达域快速生成方法，其特征在于：步骤一实现方法为，以小天体质心为坐标原点定义小天体固连坐标系
Oxyz
，
z
轴与小天体最大惯量轴重合，
x
轴与最小惯量轴重合，
y
轴与
x
轴
、z
轴之间满足右手系法则；小天体附着动力学方程为其中，
r
是位置矢量，
v
是速度矢量，
ω
是小天体自旋角速度矢量；
g(r)
是探测器受到的引力加速度，
a
c
是控制加速度；
m
为探测器质量，
I
sp
为推力器比冲，
g0为地球海平面标准引力加速度，
T
是推力矢量，满足
a
c
＝
T/m
；通过已知的小天体表面点的经纬度及对应的质心距，结合插值法得到给定经纬度对应的小天体表面点的质心距，进而得到给定经纬度对应的三轴坐标；将经度
θ
、
纬度与小天体表面点质心距
r
之间的映射关系记为则终端位置约束表示为其中，
t
f
为探测器附着的终端时刻，
r(t
f
)
为
t
f
时刻探测器位置对应质心距，为
t
f
时刻探测器对应的小天体表面星下点的质心距；以燃耗为优化性能指标，并结合动力学约束
、
初始状态约束
、
终端状态约束和路径约束，得到小天体附着轨迹优化问题模型为
其中，
T
max
为探测器最大推力，
t0为初始时刻，
r0和
v0分别为初始位置和速度矢量，
m0为探测器初始总质量；求解式
(3)
所述轨迹优化问题，得到最优终端质量及对应的最优燃耗附着点
L0的位置矢量最优燃耗
C
min0
满足最大可用燃耗
C
max
满足
C
max
＝
m0‑
m
net
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
其中，
m
net
为探测器的净质量；当
C
min0
＞
C
max
时，无可达域；当
C
min0
≤C
max
时，进行步骤二
。4.
如权利要求3所述的小天体附着可达域快速生成方法，其特征在于：步骤二实现方法为，以最优燃耗附着点
L0为基准点，用方向角
α
和质心角
β
描述小天体表面一点
L
相对于
L0的方位；以
L0所在经度线为基准经度线，方向角
α
为
LL0与基准经度线的夹角，
β
为
OL0与
OL
之间的夹角；以
P
0,j
为搜索点，
P
0,j
的坐标为
(0,
β
0,j
)
，其中
β
0,j
＝
j
×
λ0,(j
＝
1,2...)
，
λ0为质心角变化步长；通过
P
0,j
坐标得到其对应经纬度，将所述经纬度代入计算得到
P
0,j
对应的质心距，进一步通过
P
0,j
的经纬度和质心距得到
P
0,j
对应小天体表面点位置
r
t
，将
r
t
作为附着轨迹优化的终端位置约束，得到新的优化问题通过式
(6)
得到以
P
0,j
为目标着陆点的最优附着燃耗
C
min,j
；不断增大
j
进行迭代，得到一系列最优附着燃耗
C
min,j
；直到
C
min,j
和
C
min,j
‑1满足式
(7)
时停止循环
(C
min,j
‑
C
max
)(C
min,j
‑1‑
C
max
)≤0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
将
β
0,j
,
β
0,j
‑1进行插值得到边界点
P0对应的质心角
β0，进一步得到
P0的坐标为
(0,
β0)
；插值公式为
5.
如权利要求4所述的小天体附着可达域快速生成方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
...
【专利技术属性】
技术研发人员：龙嘉腾，牛曦昵，崔平远，朱圣英，徐瑞，葛丹桐，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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