[发明专利]一种行星着陆动力下降几何凸轨迹制导方法

说明书

本发明公开的一种行星着陆动力下降几何凸轨迹制导方法，属于深空探测技术领域。本发明在动力下降段采用能量最优制导律时，着陆轨迹几何曲率由着陆器状态决定；通过曲率分析确定满足几何凸轨迹的着陆器初始状态，当着陆器的初始状态满足几何凸轨迹的要求时，利用能量最优制导律实现最终着陆；当着陆器的初始状态不满足几何凸轨迹的要求时，着陆器以常加速度飞行，直到将着陆器的状态转换为满足几何凸轨迹的状态，再利用能量最优制导律实现最终着陆，提高着陆器的避障性能。本发明能够使着陆器在动力下降段沿几何凸轨迹实现最终着陆，提高着陆器的避障性能，为行星着陆的制导方法设计提供技术支持和参考。本发明可实现星载应用。

技术领域

本发明涉及一种行星着陆动力下降几何凸轨迹制导方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

目前为止，所有火星着陆器均在大范围平坦区域着陆，为进一步提高着陆区的科考价值，未来的火星探测任务将倾向于复杂地形着陆。为了在起伏地形区域中实现安全着陆，必须通过制导方法提高着陆器的障碍规避能力，从着陆轨迹的几何形状考虑，几何凸轨迹更有利于障碍规避，如图1所示。

在障碍规避制导方面，势函数制导和二次锥约束制导是两个主要方法。李亚普诺夫稳定性理论是势函数制导的基础，通过建立包含地形信息的势场，着陆器可以沿势能降低的方向实现软着陆而不违反地形约束；二次锥约束制导主要利用轨迹优化方法，考虑包括滑翔角约束等，从而确保优化的轨迹位于锥形区域内，以避开凸起的障碍。然而该方法无法获得控制加速度的解析表达式，对星载计算机要求较高。能量最优制导律具有解析表达式，适用于星载应用，但该制导律构建的下降轨迹多为几何凹轨迹，不适于复杂地形区的应用。

当着陆器沿几何凸轨迹着陆时，可以避开行星表面凸起的障碍，实现安全着陆。通过分析着陆轨迹的几何曲率与着陆器初始状态的关系，在能量最优制导律的基础上引入常加速度环节，设计解析制导律，可构建几何凸轨迹，使着陆器沿几何凸轨迹实现最终着陆。

发明内容

本发明公开的一种行星着陆动力下降几何凸轨迹制导方法，要解决的技术问题是使着陆器在动力下降段沿几何凸轨迹实现最终着陆，提高着陆器的避障性能，为行星着陆的制导方法设计提供技术支持和参考。

本发明的目的是通过下属技术方案实现的。

本发明公开的一种行星着陆动力下降几何凸轨迹制导方法，在动力下降段采用能量最优制导律时，着陆轨迹的几何曲率由着陆器状态决定，着陆器状态包括位置和速度。通过曲率分析确定满足几何凸轨迹的着陆器初始状态，当着陆器的初始状态满足几何凸轨迹的要求时，利用能量最优制导律实现最终着陆；当着陆器的初始状态不满足几何凸轨迹的要求时，着陆器以常加速度飞行，直到将着陆器的状态转换为满足几何凸轨迹的状态，再利用能量最优制导律实现最终着陆，提高着陆器的避障性能。

本发明公开的一种行星着陆动力下降几何凸轨迹制导方法，包括如下步骤：

步骤1：确定几何凸轨迹的状态约束。

在着陆点固连坐标系下，着陆器状态包括水平方向的位置x、速度v_x，以及竖直方向的位置z、速度v_z。能量最优制导律的表达式如式(1)所示：

式中，a_x与a_z分别为着陆器水平方向和竖直方向的加速度，α＝-4/t_go，t_go为剩余着陆时间，为式(2)的正实根：

式中，g为当地重力加速度。

着陆轨迹为几何凸轨迹当且仅当：

将式(1)带入式(3)得满足几何凸轨迹的状态约束如式(4)：