[发明专利]一种运载火箭椭圆轨道在线规划方法

说明书

本发明涉及运载火箭椭圆轨道的在线规划方法，是一种火箭在线轨迹规划方法，属航天制导控制领域。能够将椭圆轨道入轨约束这一非线性约束转化为凸约束，从而能够将椭圆轨道规划问题构建为凸规划问题，便于在线求解与实现。通过序列更新入轨点猜想与建立新的椭圆轨道凸规划模型，能够保证入轨精度，精确满足椭圆轨道规划的终端约束。

技术领域

本发明涉及运载火箭椭圆轨道的在线规划方法，是一种火箭在线轨迹规划方法，属航天制导控制领域。

背景技术

对于多级运载火箭，当前一级火箭关机时没有到达预定状态，造成后续火箭无法进入预定轨道时，或当火箭发生非致命故障时，需要火箭能尽量利用剩余燃料，在满足预定轨道倾角、升交点精度、近地点幅角以及近地点高度的情况下，进入轨道的远地点高度最大，从而使得火箭能够到达高度最高的远地点，便于后续任务的进一步挽救。

近年来发展的轨迹规划方法，如伪谱法、间接法等，在求解速度、初始猜想依赖性等方面的缺点，使得其难以在线求解，这样当火箭在飞行过程中遇到非正常状态时，只能进行离线求解，然后通过上传方式将轨迹参数传递到箭上，这种方式需要地面进行大量的人力物力支持，且火箭的飞行区域存在测控盲区和通讯受限情况，因此可能会错过火箭任务的最佳挽救时间，使得火箭能量损失更多，甚至导致挽救任务失败。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种运载火箭椭圆轨道在线规划方法，能够在线自主规划远地点高度最大的椭圆轨道，并同时满足椭圆轨道的其它约束。通过该技术能快速可靠地求解出运载火箭非正常状态下能够到达的椭圆轨道和飞行轨迹，促进火箭或有效载荷后续任务的完成，从而尽最大努力挽救火箭任务，提高火箭的任务适应能力。

本发明的技术解决方案是：

一种运载火箭椭圆轨道在线规划方法，首先根据任务要求，确定椭圆轨道的轨道约束(包含轨道倾角、升交点经度、近地点幅角和近地点高度)；其次设计一种凸化方法，将该椭圆轨道约束转化为凸约束；然后根据火箭当前本体参数和状态信息，结合动力学方程，将火箭椭圆轨道规划问题建模为一个序列凸规划问题；最后利用原始-对偶内点法，实时求解该问题，得到远地点高度最大的椭圆轨道和从当前状态到进入椭圆轨道的飞行轨迹和程序角指令。最终通过仿真实验，对该方法进行仿真验证；

详细步骤为：

(1)构建椭圆轨道入轨约束；

将动量矩矢量H＝r×v表示为如下形式：

H＝κh   (1)

其中h表示轨道法向量，κ等价于火箭的终端能量。

其终端轨道动量矩约束可以表示为

r(t_f)×v(t_f)＝κh   (2)

采用线性化的方法将其凸化，对动量矩常矢量在原入轨点状态r_s与v_s处进行泰勒展开，轨道的动量矩约束可以表示为：

根据轨道方程，椭圆轨道的近地点高度约束为：

其中r_p表示近地点高度，p表示轨道半通径，e表示轨道偏心率。轨道偏心率与半通径可以通过动量矩矢量与拉普拉斯矢量表示：

e＝||L||/μ   (5)

p＝||H||²/μ   (6)

其中，L为拉普拉斯常矢量

由于拉普拉斯矢量的方向即为轨道近地点方向，因此椭圆轨道的近地点高度约束和指向约束可以表示为：