[发明专利]基于凸差规划的运载火箭在线中止轨道确定方法

权利要求书

1.基于凸差规划的运载火箭在线中止轨道确定方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：根据火箭推力损失率大小，在地心惯性坐标系下建立运载火箭末级故障后的上升段动力学方程；

步骤二：给定最低轨道高度h_min，并给定标称轨道的轨道根数，根据标称轨道根数计算得到近地点高度h_p；以最大化轨道高度为优化目标，以圆轨道入轨条件和步骤一中构建的运载火箭末级故障后的上升段动力学方程等为约束，建立故障后的圆中止轨道优化问题；将所述圆中止轨道优化问题转化为凸差规划问题，采用惩罚凹凸过程方法求解该凸差规划问题，得到标称轨道面内最高圆中止轨道的轨道根数和轨道高度h_c；

步骤三：根据优化求解的圆中止轨道的轨道高度h_c与最低轨道高度h_min和近地点高度h_p的大小关系，分为h_c＞h_p、h_min≤h_c≤h_p或h_c＜h_min分别在线确定运载火箭的中止轨道，即对应执行步骤四、步骤五或步骤六；

步骤四：在h_c＞h_p的情况下，以椭圆轨道入轨条件和步骤一中构建的运载火箭末级故障后的上升段动力学方程等为约束，以最大化入轨速度为优化目标，建立故障后的椭圆中止轨道优化问题；将所述椭圆中止轨道优化问题转化为凸差规划问题，采用惩罚凹凸过程方法求解该凸差规划问题得到标称轨道面内椭圆中止轨道的轨道根数；

步骤五：在h_min≤h_c≤h_p的情况下，步骤二求解的圆中止轨道就是最终的中止轨道；

步骤六：在h_c＜h_min的情况下，通过更改步骤二中的圆中止轨道优化问题的入轨约束，构造故障时刻火箭飞行平面内的圆中止轨道优化问题；将所述圆中止轨道优化问题转化为凸差规划问题，采用惩罚凹凸过程方法求解该凸差规划问题，得到故障时刻火箭飞行平面内最高圆中止轨道的轨道根数和轨道高度h_c1；比较h_c1和h_min的大小关系，如果h_c1＜h_min则不存在中止轨道，如果h_c1≥h_min则返回本步骤求解的圆中止轨道的轨道根数；

步骤七：根据不同推力损失情况，充分利用运载火箭的剩余运载能力，步骤四、步骤五或步骤六分别确定了运载火箭的中止轨道，即实现了基于凸差规划的运载火箭在线中止轨道确定。

2.如权利要求1所述的基于凸差规划的运载火箭在线中止轨道确定方法，其特征在于：还包括步骤八，将步骤七确定的中止轨道的轨道根数输入到运载火箭的GNC系统，用以替换标称轨道根数，故障后的运载火箭飞向中止轨道，执行航天员和航天器的救援任务，提高运载火箭在应对推力下降故障时的自主性和安全性。

3.如权利要求1或2所述的基于凸差规划的运载火箭在线中止轨道确定方法，其特征在于：步骤一的实现方法为，

运载火箭出现推力损失故障后在地心惯性坐标系中的上升段动力学方程表示为

其中，是火箭位置矢量，是火箭速度矢量，T是火箭出现故障后的可用推力大小，1_b是推力方向，g是引力加速度矢量，m是火箭质量；火箭可用推力和质量计算公式如下：

T＝(1-κ)T_vac (2)

m(t)＝m₀-Tt(I_spg₀) (3)

式中，κ是推力损失率，是一个常数，T_vac是发动机的真空推力，m₀是火箭在故障时刻(t₀时刻)的质量，I_sp是发动机比冲，g₀是地球表面的引力加速度。