[发明专利]一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，属于深空探测自主控制领域。

背景技术

着陆探测是深空探测的一种重要手段。对于大型着陆器或者着陆大型天体的探测器来说，为了降低着陆速度，抵消目标天体引力，着陆发动机的推力势必很大。若采用大型着陆发动机，受到发动机制造、安装以及下降过程推进剂排放不平衡等因素的影响，着陆发动机推力方向不会恰好过质心，这样就会产生很大的姿态干扰力矩，对姿态控制产生不利影响。解决的方法有两种。一种方法是安装较大的姿态控制发动机来抵消着陆发动机产生的干扰力矩，但从工程实现上看，较大的姿态控制发动机从选型到安装都会遇到很多困难，而且控制精度和效率也不高。另外一种方法则是着陆发动机选用摇摆发动机。这种发动机具有伺服机构，能够在一定范围内改变推力的方向。通过调整着陆发动机推力的方向，使之过质心，就可以降低干扰力矩的产生。另一方面，由于着陆发动机推力很大，通过较小的推力偏转就能够形成较大的姿态控制力矩，从而大大提高姿态控制的效率，降低对姿控发动机的需求。但是应该看到，摇摆发动机为降低干扰力矩会形成推力偏角，与制导系统希望的推力方向出现偏差，产生横向干扰力，这就会对制导产生影响。因此，选择摇摆发动机作为着陆发动机时会出现姿轨耦合问题。

目前，只有美国的阿波罗和星座计划在月球着陆过程采用了摇摆发动机控制技术。在设计上，他们将制导和姿态控制分开进行考虑。姿态控制采用摇摆发动机偏转推力方向实现，而制导律则始终假定发动机的推力方向沿着陆器纵轴方向。这样，实际忽略了摇摆发动机推力偏转在垂直于纵轴方向上产生的扰动力。其后果是姿态控制产生的干扰力会对下降轨迹产生影响，这需要依靠制导回路去消除，会降低制导的执行效率；而且一旦制导律不具备三方向位置控制能力时，实际飞行轨迹和预定轨迹的偏差就会加大。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服对现有的深空探测软着陆摇摆发动机控制技术会产生横向干扰力对制导造成不利影响的问题，提出了一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，该方法在线辨识出摇摆发动机为降低干扰力矩形成的稳定推力偏角，并用该角度补偿制导生成的目标推力方向，从而消除了摇摆发动机姿态控制对制导形成的干扰，有利于同时实现姿态和轨迹控制的目标。

本发明的技术解决方案：一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，包括步骤如下：

（1）建立三维XYZ坐标系，将X轴定义为着陆器三个惯量主轴的滚动轴、将Y轴定义为着陆器三个惯量主轴的俯仰轴、将Z轴定义为着陆器三个惯量主轴的偏航轴，变推力摇摆发动机设置于沿X轴方向，变推力摇摆发动机沿着陆器Y、Z轴摆动输出可变推力。

（2）根据着陆器制导系统输出的目标加速度方向和目标加速度变化率以及姿控系统输出的摇摆发动机摆角控制量，进行姿态指令规划生成着陆器的目标姿态和姿态角速度。

（3）在步骤（1）建立的三维XYZ坐标系下，将步骤（2）生成的着陆器的目标姿态和姿态角速度与着陆器的导航系统提供的着陆器当前姿态和姿态角速度测量值进行比较，形成用于着陆器三轴姿态控制的滚动、俯仰和偏航通道的姿态和角速度误差。

（4）在步骤（1）建立的三维XYZ坐标系下，根据着陆器的导航系统估计的着陆器质量，计算出着陆器的质心位置；再由着陆器制导系统输出的变推力摇摆发动机推力比例计算出变推力摇摆发动机目标推力大小指令，以及目标推力大小指令在俯仰和偏航方向能够产生的最大控制力矩；根据最大控制力矩和着陆器的控制器中存储的俯仰和偏航通道的自然频率和阻尼比这些闭环控制系统参数，实时调整着陆器的俯仰和偏航通道的PID控制参数包括控制器比例项系数、积分项系数和微分项系数。

（5）在步骤（1）建立的三维XYZ坐标系下，根据步骤（3）计算的滚动通道姿态和姿态角速度误差用比例-积分-微分PID控制方法生成控制力矩指令，将控制力矩指令经脉宽调制PWM生成指令脉宽，将生成的指令脉宽发送给滚动通道姿控发动机输出，完成对滚动轴的姿态控制。

（6）在步骤（1）建立的三维XYZ坐标系下，根据步骤（3）计算的俯仰和偏航通道姿态和姿态角速度误差，由步骤（4）生成的PID控制参数，形成摇摆发动机的摆角控制量，该摆角控制量发送给摇摆发动机，该摆角控制量也反馈给步骤（2）用于校正目标姿态。摇摆发动机根据该摆角控制量调整发动机摆角，同时根据步骤（4）生成的摇摆发动机目标推力大小指令输出发动机推力，形成对俯仰和偏航通道的姿态控制力矩，完成对俯仰和偏航轴的姿态控制。