[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

说明书

本发明公开的基于凸差规划的运载火箭在线中止轨道确定方法，属于飞行器轨迹优化技术领域。本发明使用凸差分解处理复杂的入轨约束，将中止轨道优化问题转化成为凸差规划问题。在求解中止轨道优化问题时，使用精准松弛保持原中止轨道优化问题的非线性，增大原问题的可行域，求解松弛后的优化问题收敛性更好。通过设定故障火箭的入轨点在近地点，构造更容易求解的椭圆中止轨道优化问题，提高求解椭圆中止轨道优化问题的效率。为了充分利用运载火箭的剩余运载能力，根据不同推力损失大小分别优化不同类型的中止轨道。将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，显著提高运载火箭在应对推力下降故障情况时的自主性和安全性。

技术领域

本发明属于飞行器轨迹优化技术领域，涉及运载火箭上升段中止轨道优化方法，尤其涉及一种基于凸差规划的运载火箭在线中止轨道确定方法。

背景技术

近年来，人类的太空活动愈发频繁。世界各地的一些企业和政府已经开始或计划建造卫星互联网星座。频繁的发射任务带来了对更高可靠性和更低成本运载火箭的需求。目前，发射任务失败在世界范围内仍然相对普遍。当在运载火箭飞行过程中发生故障时，如何挽救航天员和航天器是一个值得研究的问题。容错制导、导航与控制系统越来越受到研究者的关注。现有的用于运载火箭大气层外上升段的制导律，如迭代制导和显式制导，在将载荷运送到标称轨道时很有效。因为这些制导率给出的制导指令在每个制导周期不断更新，所以这些制导律在运载火箭发生轻微推力损失故障时具有一定的容错能力。然而，如果发生更严重的推力损失故障，使得标称轨道不可达，这些制导率将失效，运载火箭存在坠落和最终轨道高度太低的风险。为了避免运载火箭坠落或最终的轨道高度太低而对航天员和航天器造成毁灭性的损伤，发射任务应该立即中止，可以利用火箭剩余的运载能力，将航天员和航天器送入能量较低且安全的中止轨道。研究在线中止轨道确定方法可以显著提高运载火箭应对推力下降故障情况的自主性和安全性，因此研究在线中止轨道确定方法具有重大的现实意义。

在线中止轨道确定的目标是当运载火箭出现故障后可以在线自主计算合适的中止轨道，使航天员和航天器可以暂时停泊其中，为地面保障人员提供足够的时间用来分析问题和发送指令——继续执行任务或者安全返回地面。为了实现这一目标，在过去的几年里，许多基于数值优化的中止轨道确定方法被研究和开发出来。然而运载火箭上升段动力学是非线性的并且终端状态约束比较复杂，现有的方法——如自适应配点法和直接线性化的序列凸优化算法——或计算效率一般，不能保证有很好的收敛性；或考虑的场景单一，不能充分发挥运载火箭剩余的运载能力。

发明内容

本发明主要目的是提供一种基于凸差规划的运载火箭在线中止轨道确定方法，实现运载火箭在考虑非线性系统动力学和复杂任务约束条件下的在线中止轨道优化，进而实现基于数值优化的在线中止轨道确定。本发明能够提高运载火箭在应对推力下降故障时的自主性和安全性。

本发明的目标是通过下述技术方案实现的。