[发明专利]一种小天体着陆定推力轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开的小天体着陆定推力轨迹跟踪控制方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：基于多项式加速度预设满足终端位置和速度约束的着陆标称轨迹，根据探测器当前时刻的实际轨迹与着陆标称轨迹之差计算当前时刻需要的速度增量，根据发动机推力大小与当前时刻速度增量计算各方向推力发动机的开机时长，并在单个控制周期内施加相应时长的控制力，获得需要的速度增量，实现单个控制周期内探测器对标称轨迹的跟踪控制；在每个控制周期内利用定推力控制方法实现对应的单个控制周期内探测器对标称轨迹的跟踪控制，完成多个控制周期跟踪控制后，既能够使得着陆器从绕飞轨道到达目标采样点，且到达目标采样点时的速度满足任务给定的约束要求。

技术领域

本发明涉及一种小天体着陆的定推力轨迹控制方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

小天体着陆采样任务具有较高的科学回报，是目前小天体探测的主要形式。控制探测器从小天体绕飞轨道到达任务预定的目标采样点是完成探测任务的核心技术。为保证控制过程的可靠性，小天体着陆过程通常采用工作原理相对简单、可靠性较强的定推力发动机实现轨迹控制。然而，着陆任务要求探测器能够精确到达目标采样点，且对到达目标采样点时的速度值也有确定的要求，能够满足上述要求的控制方法一般基于变推力发动机，即在不同时刻施加不同大小的推力，以实现着陆终端位置和速度约束下的着陆采样。此外，小天体着陆过程时间短，探测器距离地球遥远，无法依靠地面支持获得控制指令。因此，要求控制方法计算量少，适合探测器自主解算。

发明内容

本发明公开的小天体着陆定推力轨迹跟踪控制方法要解决的技术问题为：在探测器发动机推力固定的条件下，利用定推力控制方法，使得着陆器能够从绕飞轨道到达目标采样点，且到达目标采样点时的速度满足任务给定的约束要求。此外，由于定推力控制方法具有解析的显式表达式，能够减少探测器解算时间，满足探测器控制实时性要求。本发明能够为小天体着陆采样任务提供技术支持和参考，并解决相关工程问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的小天体着陆定推力轨迹跟踪控制方法，基于多项式加速度预设满足终端位置和速度约束的着陆标称轨迹，根据探测器当前时刻的实际轨迹与着陆标称轨迹之差计算当前时刻需要的速度增量，根据发动机推力大小与当前时刻速度增量计算各方向推力发动机的开机时长，并在单个控制周期内施加相应时长的控制力，获得需要的速度增量，实现单个控制周期内探测器对标称轨迹的跟踪控制。在每个控制周期内利用定推力控制方法实现对应的单个控制周期内探测器对标称轨迹的跟踪控制，完成多个控制周期跟踪控制后，既能够使得着陆器从绕飞轨道到达目标采样点，且到达目标采样点时的速度满足任务给定的约束要求。

本发明公开的小天体着陆定推力轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤1：基于多项式加速度预设满足终端位置和速度约束的着陆标称轨迹。

将标称轨迹在不同时刻的加速度设为着陆时间的一次多项式，如式(1)所示。

a＝c₀+c₁t (1)

式中，a为加速度矢量，c₀，c₁为多项式系数，t为着陆时间。将式(1)进行一次积分与两次积分，分别得到标称轨迹的速度与位置随时间的变化关系，如式(2)、(3)所示。

式中，r、v为探测器标称轨迹的位置与速度矢量，r₀、v₀为探测器标称轨迹的初始位置与速度矢量，由任务设计获得，在此视为已知量。

着陆终端时刻为t_f，终端时刻的位置与速度矢量分别为r_f、v_f，代入式(2)、(3)能够解算得到满足终端位置速度约束的多项式系数，如式(4)、(5)所示。