[发明专利]探测器火星大气进入轨迹快速生成方法

说明书

本发明公开了探测器火星大气进入轨迹快速生成方法，属于深空探测领域。本发明实现包括如下步骤：根据探测器在进入火星大气过程中的控制能力变化特点，将进入飞行过程做分段处理；建立火星大气进入段以速度为自变量的探测器无量纲动力学模型；建立复杂约束下火星大气进入轨迹生成原问题模型；将火星大气进入轨迹生成原问题转化成线性规划问题；构造序列线性规划问题，通过迭代过程求解火星大气进入轨迹生成问题。本发明由于可将约束直接转变为状态及控制量的线性约束，对于进入过程复杂约束具有较强满足能力；由于将进入轨迹生成问题转化成具有良好求解性质的序列线性规划问题，可通过内点法实现进入轨迹高效求解。

技术领域

本发明属于深空探测领域，尤其涉及探测器火星大气进入轨迹快速生成方法。

背景技术

从着陆安全和科学探索价值方面考虑，NASA提出了未来火星着陆任务的关键技术是精确着陆。目前为止，已经有八颗探测器在火星表面成功着陆，这些探测器的着陆过程均沿用第一代成功着陆任务(海盗号)的着陆方案，分为大气进入段、伞降段、动力下降段和最终着陆段。大气进入段覆盖了火星EDL(进入、下降、着陆)过程的绝大部分航程，其制导控制精度对于最终的着陆精度有重要影响。目前，火星大气进入段制导控制方法研究以轨迹跟踪方法为主。2012年成功着陆火星表面的火星科学实验室任务在进入段采用的终端控制器即属于跟踪制导控制方法，该任务也是目前为止唯一在进入段采取主动控制的火星表面着陆探测任务。相比于其他任务的百公里量级着陆误差椭圆，火星科学实验室任务的着陆误差椭圆长轴约为20km，最终着陆点距离目标点约2km，进入终端控制器对于最终着陆精度的提高意义重大。

在目前的轨迹跟踪制导方案中，跟踪轨迹在离线情况下设计并存储。由于人类目前对火星了解尚不充足，任务设计过程中会存在先验信息匮乏的问题，实际飞行过程中的不确定性及扰动因素影响会导致探测器真实轨迹与离线设计的标称轨迹之间出现较大的误差。此外，目前的火星大气进入段飞行器均属于小升阻比气动构型，在进入段依靠气动力控制自身运动。考虑到火星大气比较稀薄，进入过程气动力较小，探测器的控制能力较弱，难以有效消除较大跟踪误差，极易出现控制饱和的情形，并进一步增大跟踪误差。据此，研究者提出研究进入轨迹快速生成算法，使探测器能够根据当前状态及目标开伞点状态在线更新参考轨迹，从而减弱累积跟踪误差的影响，合理利用探测器的控制能力，最终减小制导目标偏差

由于大气进入段飞行速度较快，轨迹在线生成方法对求解速度要求严格。大气进入过程约束复杂，除非线性动力学约束外，进入轨迹还需满足路径约束、开伞条件和边界条件等非线性约束。目前，学者研究的轨迹在线生成方法主要有两种：一，通过在阻力加速度-能量(D-e)剖面内对边界进行插值得到满足末端约束的进入轨迹，但插值得到的轨迹难以匹配探测器的跟踪控制能力；二，在倾侧角-能量(σ-e)剖面内生成满足条件的控制曲线并积分得到轨迹，此方法存在难以满足路径约束的困难，不能保证进入过程的安全性。

发明内容

本发明结合火星大气进入段轨迹在线生成的需求，针对现有方法难以同时较好满足复杂路径约束和控制能力约束的问题，提出一种进入轨迹快速生成的序列线性规划方法。该方法通过将进入过程做分段处理，采用速度作为进入过程自变量，将复杂非线性约束转化为线性约束，将纵向轨迹生成问题转化为序列线性规划问题，利用已有凸规划求解器，实现问题的高效求解，得到满足约束的进入轨迹。

本发明具体提供了探测器火星大气进入轨迹快速生成方法，具体包括如下步骤：

步骤1、根据探测器在进入火星大气过程中的控制能力变化特点，将进入飞行过程做分段处理，具体分为初始进入阶段、航程控制段和航向控制段；

步骤2、在火星大气进入过程中的航程控制段和航向控制段，建立以速度为自变量的探测器无量纲动力学模型；

步骤3、将探测器火星大气进入轨迹生成原问题建模成优化问题；

步骤4、将步骤3的优化问题转化成线性规划问题；