[发明专利]一种小天体附着探测下降轨迹优化方法

说明书

本发明涉及一种小天体附着探测下降轨迹优化方法，属于航天航空领域。本发明采用内球谐引力场模型估计目标小天体附近的引力加速度，采用凸优化算法解最优控制问题。采用内球谐引力场模型估计小天体附近引力加速度，具有计算效率高的优点。采用凸优化算法求解燃耗最优控制问题，避免了间接法的推导复杂，以及协态变量无物理意义不易猜测的问题，推导步骤较为简便，节约了计算时间，是一种快速、高精度的估计优化方法，且所得结果符合初始和末端状态约束、动力学约束和控制约束。

技术领域

本发明涉及一种小天体附着探测下降轨迹优化方法，属于航天航空领域。

背景技术

小天体探测作为人类了解太阳系形成与演化、生命起源与进化以及防御外来天体撞击的重要途径，将是未来深空探测活动的主要内容之一，附着探测是未来一段时间内人类探索小天体的主要方式。下降阶段是着陆器附着小天体或完成采样返回探测的关键阶段，对能否安全、准确到达预设的具有科学探测价值的目标区域起着决定性的作用，这对下降阶段的轨迹设计、导航和制导控制都提出了很高的要求。小天体着陆器的下降过程可以转化为一个轨迹优化问题以及对标称轨迹的跟踪控制问题。设定的标称轨迹需要能够安全、准确地到达指定着陆点，满足始末状态约束、路径约束、控制约束等多重约束，同时使某项重要的性能指标最优化，如燃耗、时间等。轨迹优化方法主要包括基于参数化方法的直接法和基于庞特里亚金极小值原理的间接法。直接法无需推导优化问题的横截条件，避免了求解两点边值问题的协态初值敏感困难，因而得到了广泛的应用。此外，对于小天体附近的轨迹优化问题，还需要建立精确描述小天体附近引力加速度的引力场模型。

在已发展的小天体附着探测下降轨迹优化方法中，在先技术[1](参见LantoineG,Braun R.Optimal trajectories for soft landing on asteroids.Space SystemsDesign Lab,Georgia Institute of Technology,Atlanta,GA,AE8900 MS SpecialProblems Report,Dec.2006.)采用多面体模型求解目标小天体附近的引力加速度，以能量作为优化指标，运用直接法进行大步长优化，从而估计得到优化问题的协态初值，然后基于庞特里亚金原理进行间接法轨迹优化计算。多面体模型求引力加速度效率低，优化算法繁琐，耗时长。

在先技术[2](参见Ren,Y.and Shan,J.,“Reliability-Based Soft LandingTrajectory Optimization near Asteroid with Uncertain Gravitational Field,”Journal of Guidance,Control,and Dynamics,Vol.38,No.9,2015,pp.1810-1820.)，首先构建收敛区域更明确的能量最优问题，然后通过调整同伦系数，序列求解，最终将能量最优问题转化为燃料最优问题，采用同伦算法仍然需解两点边值问题，优化过程耗时较长。

发明内容

本发明目的是为了解决现有小天体附着探测下降轨迹优化方法因采用多面体引力场模型求引力加速度效率差；以及采用间接法进行轨迹优化解算，因协态初值难以估计求解困难的问题，提供一种小天体附着探测下降轨迹优化方法。

一种小天体附着探测下降轨迹优化方法，采用内球谐引力场模型估计目标小天体附近的引力加速度，采用凸优化算法解轨迹优化方程。

所述凸优化算法包括松弛、线性化、离散化和内点法。

一种小天体附着探测下降轨迹优化方法，包括以下步骤：

步骤一、由最小二乘法估计内球谐引力场模型的球谐系数：