[发明专利]一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种侧向预测校正制导方法，尤其涉及一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

在未来火星着陆探测任务对实现火星表面的着陆精度提出了更高的要求。而火星大气进入段是整个火星进入、下降与着陆过程中历时最久，环境最恶劣的一个阶段，保证进入段任务的成功实施，是对于保证最终着陆的精度起着至关重要的作用。

到目前为止，共有7颗火星探测器成功着陆火星表面。最近一次着陆探测任务“火星科学实验室/好奇号”任务中，首次在进入段采用了制导律，并在预定的开伞区域内实现安全开伞。这表明随着人类火星探测的深入开展，在未来火星着陆探测任务中，尤其是诸如载人火星探测、采样返回等任务对着陆精度要求的提高，采用相应的进入制导律成为一种趋势。在火星大气进入段实施相应的制导方法，是保证进入段末端精度的重要手段。

目前所研究的火星大气进入段制导方法主要可分为标称轨迹法和预测校正制导法。其中，标称轨迹法通过离线或在线规划出一条能够满足着陆精度的标称轨迹，并由相应的轨迹跟踪律来跟踪该标称轨迹，以消除进入点偏差以及进入过程中各种干扰或不确定因素造成的偏差，从而保证开伞的位置精度。而预测校正制导法则是根据当前状态，在线预测落点偏差，根据落点偏差产生相应的制导指令，以修正各种因素造成的落点偏差，进而保证开伞精度。当前预测校正制导方法主要针对纵向航程设计相应的预测校正制导律，而侧向运动是通过相应的航向角误差走廊或者侧向航程误差走廊加以约束，当航向角或者侧向航程超出该走廊时，倾侧角产生反转，进而保证侧向运动的末端位置精度。而未来火星探测任务对进入轨迹的侧向运动部分提出了新的要求，例如倾侧角反转过于频繁会导致燃料的过多消耗，进而增加任务失败的几率；未来火星大气进入段无线电信标的布置，探测器飞越特定区域能够显著提高导航系统的可观测度，进而提高导航精度。对于这些需求，传统的通过规划误差走廊来约束侧向运动的方式缺少在规划侧向运动方面的灵活性。

为了满足未来火星探测任务对进入段侧向运动的需求，有必要针对火星大气进入段探测器的侧向运动，设计一种相应的预测校正制导律，以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。

发明内容

本发明公开的一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法所解决的技术问题是，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。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法，包括如下步骤：

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。在达到该约束条件后，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。

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

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