[发明专利]基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法

说明书

本发明公开的基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：在确定火星动力下降燃耗最优性能指标及约束条件的基础上，将动力学方程和相机视场角约束、几何凸轨迹约束进行矢量化处理，对位置、速度、加速度变量，性能指标及约束条件进行离散化；将不等式约束和控制约束转化为二阶锥约束形式；从而将轨迹规划问题转化为二阶锥规划问题，求解所述二阶锥规划问题，实现在目标着陆点着陆，并满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束，同时使轨迹规划方法具备实时性和收敛性。本发明能够有效保障导航相机对着陆区域障碍的可见性，施加几何凸轨迹约束提高对着陆点周围障碍的规避能力。

技术领域

本发明涉及一种动力下降轨迹规划方法，尤其涉及基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

实现火星表面精确、安全着陆是进行火星表面原位探测、采样返回等科学探测任务的技术前提。为获取丰厚的科学回报，未来火星着陆器不可避免地要在复杂地形区实施着陆，这对着陆器规避复杂障碍的能力以及着陆安全提出了挑战。

着陆轨迹规划方法的避障技术是保障着陆器在复杂地形区着陆安全的重要技术。轨迹曲率是影响避障效果的重要因素，着陆凸轨迹对障碍规避具有显著优势。同时，为保证着陆器对着陆障碍的实时检测能力，目标着陆区需位于导航相机的视场范围内。此外，为保障轨迹规划算法的在线应用，火星动力下降轨迹规划算法在满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束的基础上，需具备较强的实时性和收敛性。

针对未来火星着陆探测需求，有必要在满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束的基础上，设计一种具备较强实时性和收敛性的在线轨迹规划方法，以保障未来火星着陆探测任务在复杂地形区的着陆安全。

发明内容

本发明公开的基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法要解决的技术问题是：实现在目标着陆点着陆，并满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束，同时使轨迹规划方法需具备实时性和收敛性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，在确定火星动力下降燃耗最优性能指标及约束条件的基础上，将动力学方程和相机视场角约束、几何凸轨迹约束进行矢量化处理，对位置、速度、加速度变量，性能指标及约束条件进行离散化；将不等式约束和控制约束转化为二阶锥约束形式。从而将轨迹规划问题转化为二阶锥规划问题，求解所述二阶锥规划问题，实现在目标着陆点着陆，并满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束，同时轨迹规划方法具备实时性和收敛性。

本发明公开的基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，包括如下步骤：

步骤1、确定火星动力下降段动力学方程、燃耗最优性能指标及约束条件。

确定火星动力下降段动力学方程如式(1)所示。

其中，x和z分别为着陆器水平位置和高度；v_x和v_z分别为着陆器沿水平方向和高度方向的速度；a_x和a_z分别为着陆器沿水平方向和高度方向的加速度；a_cx和a_cz分别为着陆器沿水平方向和高度方向的控制加速度，并满足如式(2)所示的关系。

其中，g为火星表面重力加速度。在火星动力下降轨迹规划过程中，需满足式(3)所示的边界约束条件。