[发明专利]一种基于干扰观测器的着陆器动力下降段优化控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于干扰观测器的着陆器动力下降段优化控制方法，主要应用于行星着陆器在动力下降段以燃料最优的方式精确抗干扰着陆。

背景技术

作为距离地球最近的行星之一，火星与地球有很多相似之处，成为人类深空探测的首选目标星体。近几十年来，行星探测活动尤其是着陆探测活动越来越频繁。随着科学技术的进步与工程经验的积累，火星探测器在火星表面的着陆精度在过去的四十余年中不断提高，从“海盗号”的200km到“探路者号”的150km再到“火星漫游者号”的35km，直到最近“好奇号”的10km着陆范围。在这些火星任务中，着陆器只需安全地着陆在目标点附近即可。然而，在下一代火星任务中如采样返回和人类探测则需要着陆器在火星表面感兴趣的特定地点精确软着陆，定义为着陆在目标点100m范围内。

火星着陆器在着陆过程中要经历火星大气进入段、伞降段和末端的动力下降段。由于在降落伞下降阶段，火星着陆器会随风自由漂移不受控制，因此在动力下降段，着陆器有可能不得不从制动点飞行数千米到达目标着陆地点。在这个过程中，火星着陆器不可避免的会受到火星风等外部干扰。由于火星着陆器受到有效载荷的严格限制，不能通过传感器测量到所有干扰，因此，需要设计干扰观测器来估计干扰的影响。

在动力下降段，火星着陆器不但有可能需要从制动点飞行数千米到达目标着陆地点，也有可能为了规避着陆点障碍重新规划路径从而增加航程，然而火星着陆器携带的可用燃料是有限的，因此，必须对着陆器的燃料消耗进行优化控制，以增大着陆器的可达区域。现有的控制方法主要为“阿波罗”多项式控制方法，这种控制方法没有考虑着陆器燃料的最优消耗，也没有考虑到着陆器在动力下降过程中遇到的各种干扰。为了解决这些问题，需要设计一种行星着陆器在动力下降段的抗干扰优化控制方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对行星着陆器在动力下降阶段受到的干扰，提供一种干扰观测器估计干扰并进行燃料优化的控制方法，解决了行星着陆器在动力下降过程中因受到干扰导致着陆精度降低的问题，提高行星着陆器的着陆精度，同时实现了燃料的优化控制。

本发明的技术解决方案为：一种基于干扰观测器的着陆器动力下降段优化控制方法，其实现步骤如下：

第一步，建立带有干扰的着陆器动力下降段系统状态空间模型为：

着陆器在动力下降段的燃料消耗率为：

m·(t)=-kT(t)]]>

其中，m(t)为着陆器的质量，t为时间变量；k＝1/v_e，v_e＝g_eI_sp，g_e为地球表面重力加速度，I_sp为制动发动机的比冲；T(t)为制动发动机的推力；

定义着陆器在动力下降段的特征速度为C(t)，有：

C·(t)=Γ(t)]]>

其中，初始条件为C(t₀)＝0，t₀为着陆器开始制动的时刻，Γ(t)＝T(t)/m(t)，Γ(t)为比推力的大小；Γ(t)有最大与最小边界，为：

0≤Γ_min(t)≤Γ(t)≤Γ_max(t)