[发明专利]一种月球软着陆垂直接近避障制导方法

说明书

本发明一种月球软着陆垂直接近避障制导方法，步骤如下：1)设探测器制导指令计算周期为T，每N个制导指令计算周期进行一次制导参数更新；假设外部导航系统建立在惯性坐标系下，当前周期由导航系统提供的目标着陆点位置矢量为探测器自身在惯性系的位置矢量为rⁱ，速度矢量为vⁱ；设计数器k是一个非负整数，初值为0；所述惯性坐标系用i表示，原点在月球中心，三个坐标轴在惯性空间指向固定方向；N≥1；2)以目标着陆点为中心，在空间中沿固定的方向建立制导坐标系，获得由惯性系向制导坐标系的旋转矩阵；3)解算得到制导参数；4)计算得到制导指令，并交给外部姿态控制系统和发动机执行。

技术领域

本发明涉及一种月球软着陆垂直接近避障制导方法，属于航天器制导控制领域。

背景技术

对于月球软着陆来说，地形是危及着陆安全的重要因素。为此，需要在下降飞行过程中，观测月球表面障碍分布情况，寻找安全着陆点，并改变飞行轨迹实施避障。已有的着陆探测器避障通常采用倾斜下降轨迹，例如阿波罗采用与水平面夹角16°～24°的下降轨迹、嫦娥三号采用与水平面夹角45°的下降轨迹。这种方式需要比较大的平坦区域，对于着陆在月海地区的探测器较为有利。但是对于着陆到月球南极、背面等遍布陨石坑的着陆任务来说，这种下降轨迹非常不利。一是起伏的地面对于依赖测距相对测量的探测器导航系统来说，会加剧飞行轨迹的颠簸；二是变化剧烈的地形存在下降过程中意外撞击的风险。

因此，对于这种崎岖地形着陆任务来说，最好采用垂直接近下降轨迹。其好处是：一、垂直下降时探测器在月面的垂直投影位置基本固定，这就消除了地形变化的影响，对于测距修正导航系统的稳定有利；二、垂直下降时，探测器可以持续稳定地观测同一片着陆区，有利于避障。但是将下降轨迹改为垂直后，原有的接近制导方法不再适用，主要的问题包括：一、以目标着陆点相对探测器的方位为基础的制导坐标系在垂直下降轨迹时会出现角度旋转迅速的问题，二、制导参数解算周期与制导指令解算周期相同，容易出现制导与姿控的自激振荡；三、更新着陆点后，制导参数不能及时更新，制导反应较慢。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种月球软着陆垂直接近避障制导方法，满足月球背面或者南极地区崎岖地形环境下的安全着陆需要。

本发明的技术方案是：

一种月球软着陆垂直接近避障制导方法，步骤如下：

1)设探测器制导指令计算周期为T，每N个制导指令计算周期进行一次制导参数更新；假设外部导航系统建立在惯性坐标系下，当前周期由导航系统提供的目标着陆点位置矢量为探测器自身在惯性系的位置矢量为rⁱ，速度矢量为vⁱ；设计数器k是一个非负整数，初值为0；所述惯性坐标系用i表示，原点在月球中心，三个坐标轴在惯性空间指向固定方向；N≥1；

2)以目标着陆点为中心，在空间中沿固定的方向建立制导坐标系，获得由惯性系向制导坐标系的旋转矩阵；

3)解算得到制导参数；

4)计算得到制导指令，并交给外部姿态控制系统和发动机执行。

所述步骤2)获得由惯性系向制导坐标系的旋转矩阵的过程为：

根据导航相机图像处理，寻找到一块平坦的着陆区，将着陆区中心点作为新的安全着陆点，否则安全着陆点保持原值；如果本周期获得了更新的安全着陆点，则将当前周期改为制导参数解算周期；之后，以安全着陆点为原点，以当地固定方向为参考，建立制导坐标系，进而得到惯性系向制导坐标系的旋转矩阵；

所述步骤2)的具体过程为：

设当前的目标着陆点位置为若该目标着陆点是由导航和避障敏感器重新获取的新的安全着陆点，则令k＝0；