[发明专利]一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法

权利要求书

1.一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法，其特征在于：在已有纵向预测校正制导方法的基础上，将预测校正方法引入探测器侧向运动的制导律设计中；在每个制导周期内，首先，确定着陆探测任务所需的探测器的侧向运动的约束条件，以确定探测器在进入段所需倾侧角反转的次数；然后，利用数值方法求解侧向运动的约束条件，确定探测器倾侧角反转时刻的能量，在探测器的能量超过倾侧角反转时刻的能量时，进行倾侧角反转；在达到约束条件后，开始进行下一次倾侧角反转能量的确定；最后，结合倾侧角反转时刻的能量以及纵向制导律确定当前制导周期最终的制导输出；进而实现在保证开伞点位置精度的同时，能够根据任务需要对进入轨迹的侧向运动进行灵活规划；

具体实现方法包括如下步骤，

步骤1、确定纵向运动制导指令|σ|；

利用探测器动力学模型进行数值积分至满足开伞条件，得到开伞时刻的开伞剩余纵程与目标位置的开伞精度偏差s_f；所述的开伞条件指探测器动压在区间[q_min,q_max]内和探测器马赫数在区间[Ma_min,Ma_max]内；具体实现方法为，

考虑火星自转影响的探测器对无量纲时间的三自由度无量纲进入动力学模型为

s·=-v cosγrr·=v sinγv·=-D-(sinγr2)γ·=1v[L cosσ+(v2-1r)(cosγr)]---(1)]]>

其中，s为剩余纵程，表征从探测器当前位置到目标开伞位置的火星表面大圆弧的距离，r为火星质心到探测器质心的距离，无量纲参数为火星半径R₀，v为探测器相对于火星的速度，无量纲参数为其中g₀为火星表面重力加速度，γ为航迹角，σ为倾侧角，g为当地重力加速度，无量纲参数为g₀；D和L分别阻力加速度和升力加速度

D=12ρv2SmCD=q/β,L=12ρv2SmCL=D·(L/D)---(2)]]>

其无量纲参数均为g₀，C_D和C_L分别为阻力系数和升力系数，S为探测器参考面积，m为探测器质量，q＝ρv²/2为动压，β＝m/SC_D为探测器弹道系数，L/D为探测器升阻比；火星大气密度采用指数模型

ρ=ρ0e-h-h0hs---(3)]]>

其中ρ₀为参考密度，h₀为参考高度，h_s为大气密度标高；

定义进入段飞行器的比能量

e=1r-v22---(4)]]>

定义火星大气进入段的侧向航程

χ＝R₀ sin^-1(sinS_togosin△ψ) (5)

其中，△ψ为航向角偏差，S_togo为剩余航程，由式(6)给出

S_togo＝R₀cos^-1[sinφ_t sinφ+cosφ_t cosφcos(θ_t-θ)](6)

纵向运动的动力学由公式(7)进行描述

s·=-vrcosγ---(7)]]>

给出倾侧角剖面参数化形式

|σ(e)|=σ0+e-e0ef-e0(σf-σ0)---(8)]]>

其中，σ_f为开伞时刻的倾侧角；e,e₀和e_f分别为当前时刻、初始时刻以及开伞时刻的比能量；σ₀>0为进入时刻的倾侧角，通过数值求解非线性方程(9)求取σ₀；

z(σ0)=s(ef)-sf*=0---(9)]]>

再利用式(8)产生每一步的纵向制导指令|σ|，从而使探测器满足开伞点的位置精度；

步骤2、确定侧向运动的约束条件及相应倾侧角反转次数i_rev；

侧向运动的约束条件为方程组(10)

χ(e_tar,e_rev)＝χ^*(10)

其中，向量χ^*为对应能量为向量e_tar时，侧向航程的取值；向量e_rev为倾侧角反转时刻的能量向量，所述的向量e_rev是侧向预测校正制导的待求参量；方程组(10)的分量形式为

χ(i)(etar(i),erev(i))=χ(i)*---(11)]]>

倾侧角反转次数为i_rev＝dim(e_rev)＝dim(χ)时，方程组(10)有唯一解；侧向运动的相应约束条件由方程组(10)给定；

步骤3、求解约束条件求得倾侧角反转时刻的能量e_rev；

在求解方程组(10)的过程中，方程组(10)各个分量方程式(11)相互独立，能够分别独立求解；方程组(10)构成关于能量向量e_rev的非线性方程；通过采用数值方法对约束条件方程组(10)进行迭代求解，求得倾侧角反转时刻的能量e_rev；

步骤4、求解出侧向制导指令sign(σ_k(e))；

在探测器进入过程中，每当能量e依次超过制导律所求解出的能量向量e_rev的各个分量时，倾侧角σ便反转一次；数学表达式为式(12)

sign(σk(e))=-sign(σk-1(e)),e>erevk-1sign(σk-1(e)),e≤erevk-1---(12)]]>

其中，sign(σ₀(e))＝-sign(χ₀)；

步骤5、求解出第k次制导的制导指令输出

第k次制导的制导指令输出由第k次纵向制导指令|σ^(k)|及第k次侧向制导指令sign(σ^(k))得到

σcmd(k)=|σ(k)|×sign(σ(e)(k))---(13)]]>

步骤6、重复步骤1-5实时更新制导指令，直至探测器的动压和马赫数满足相应的开伞条件，火星大气进入段制导过程结束。

2.如权利要求1所述的一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法，其特征在于：步骤3所述的通过采用数值方法对约束条件方程组(10)进行迭代求解，所述的数值方法采用Newton-Raphson方法对约束条件方程组(10)进行迭代求解。