[发明专利]小天体附着轨迹自适应曲率匹配制导方法

说明书

本发明公开的小天体附着轨迹自适应曲率匹配制导方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：星载计算机根据测量的当前着陆器所处位置信息，计算附着器与预定着陆点间的水平距离，计算当前水平距离下的安全高程；将安全高程与测量的实际高程信息对比，判断前方运动轨迹是否与地形障碍冲突；在相对高度处于安全范围时，通过分析轨迹形状与着陆器状态量的关系，引入三轴推力系数推导得到带参数的解析最优制导律，并建立解析能量最优制导律和带参数的解析最优制导律相互转化的条件；根据该条件调整推力参数提升轨迹曲率，达到规避地形障碍的目的；当相对高度重归预期范围将推力参数还原；循环判断至估计的剩余时间的值趋于零，实现陆器成功着陆。

技术领域

本发明涉及一种小天体附着制导方法，尤其涉及一种着陆器最终着陆段地形障碍规避制导方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

小天体附着探测作为当前深空探测技术研究的热点领域，是实施小行星和彗星采样返回任务、获取高分辨率表面图像和高精度地形地貌数据的必要手段。附着器在小天体表面实现安全着陆的关键在于准确的“双零控制”，即实际附着点与预定附着点位置误差接近零，同时附着器的末端相对速度接近零。在已实施的小天体附着任务中，附着过程采用光学导航+激光测距+地面测控的形式实现，探测器在地面控制指令的引导下垂直缓速下降。由于通信时延的限制，这种附着方式的一个制导周期需要数十分钟到数小时，实时性较弱，处理突发意外情况的能力有限。为提高附着制导过程的实时性，需要针对星载自主制导方法展开研究。实现小天体附着的自主制导主要面临以下三个难题：第一，星载计算资源有限，无法运行目前精度较高的数值方法最优制导律。第二，任务环境复杂多变，解析的制导律虽有计算量小的优点，但往往需要根据具体应用情况手动调参，不符合自主性要求。第三，小天体表面地形复杂，往往存在未能预见的地形凸起或凹陷等各种障碍。为实现障碍规避，现有方法包括在轨迹优化问题中加入地形约束，再对轨迹形状参数进行非线性规划，可以处理事先勘测到的地形障碍，提供标称控制序列，但无法实时应对意外状况。此外，还有在带反馈的闭环解析制导律基础上控制轨迹曲率为负，保证着陆器沿凸曲率轨迹下降的方法，可以减小与地形障碍碰撞的概率，但曲率的具体大小不可调整，也不能结合实际地形有针对性地设计轨迹形状。综上，小天体附着的自主制导律需要在计算量小和通用性强的基础上，进一步能够根据光学自主导航和激光测距结果识别地形障碍实时调整制导参数，实现自主避障，保证附着器安全着陆。

发明内容

本发明公开的小天体附着轨迹自适应曲率匹配制导方法要解决的技术问题为：基于小天体附着轨迹自适应曲率匹配制导实现小天体附着避障制导，具有如下优点：(1)具有制导参数自适应调节功能，通过实时调整轨迹曲率，改变轨迹形状，有效规避预期之外的地形障碍，提高附着安全性；(2)采用的制导律为解析形式，计算速度快，自主性强；(3)所述制导律基于能量最优制导律变形而来，燃料经济性强。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的小天体附着轨迹自适应曲率匹配制导方法，针对解析能量最优制导律无法进行实时避障的难题，在原有制导律的基础上加入有关三轴推力的可调系数，并根据星载激光雷达测得的高程信息判断地形障碍的存在，通过调整推力系数实现附着轨迹形状曲率的改变，以达到障碍规避的效果。具体实现方法为：星载计算机根据着陆器自主光学导航系统测量的当前着陆器所处位置信息，计算附着器与预定着陆点间的水平距离，并进一步计算当前水平距离下的安全高程。将安全高程与激光雷达测量的实际高程信息对比，判断前方运动轨迹是否与地形障碍冲突。在相对高度处于安全范围时，通过分析轨迹形状与着陆器状态量的关系，引入三轴推力系数推导得到带参数的解析最优制导律，并建立解析能量最优制导律和带参数的解析最优制导律相互转化的条件。根据该条件导出轨迹曲率与推力参数的关系，并通过调整推力参数提升轨迹曲率，达到规避地形障碍、使相对高度重回安全范围的目的。当相对高度重归预期范围时，再将推力参数还原。循环判断直到估计的剩余时间的值趋于零，实现陆器成功着陆。

本发明公开的小天体附着轨迹自适应曲率匹配制导方法，包括如下步骤：