[发明专利]基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法及系统

权利要求书

1.一种基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：确定运载火箭一子级箭体垂直返回过程中姿态控制所使用的执行机构；

步骤二：通过姿态执行机构的使用原则使用执行机构，进而控制一子级箭体姿态；

步骤三：利用基于区域划分的四元数法计算一子级箭体姿态参数；

在步骤一中，运载火箭一子级箭体上安装使用的执行机构包括：一子级主发动机、反作用推力器和栅格翼，其中，一子级主发动机设置于一子级箭体的尾部，反作用推力器设置于一子级箭体级间段位置，栅格翼设置于一子级箭体级间段位置；

步骤二具体包括：

(1)首先采用栅格翼作为运载火箭一子级箭体的控制执行机构，如果栅格翼产生的最大控制力矩小于将一子级箭体当前时刻所需的控制力矩即若则进入步骤(2)；如果转入步骤(4)；

(2)开启主发动机产生最大控制力矩为如果则进入步骤(3)；如果则使用栅格翼和主发动机联合进行姿态控制，进入步骤(5)；

(3)开启反作用推力器产生固定的正向控制力矩为M_r，如果且则使用栅格翼、主发动机和反作用推力器联合进行姿态控制，进入步骤(6)；

(4)根据一子级箭体初始的姿态角和制导系统发出的的姿态角指令，依据控制律，计算当前时刻实际产生的控制力矩M_C＝M_f，其中，M_f为栅格翼在当前时刻实际产生的控制力矩；

(5)根据一子级箭体初始的姿态角和制导系统发出的的姿态角指令，依据控制律，计算当前时刻实际产生的控制力矩M_C＝M_f+M_δ，M_δ为主发动机在当前时刻实际产生的控制力矩；

(6)根据一子级箭体初始的姿态角和制导系统发出的的姿态角指令，依据控制律，计算当前时刻实际产生的控制力矩M_C＝M_f+M_δ+y_rM_r，其中为y_r为反作用推力器在当前时刻的开关指令，M_r为反作用推力器在当前时刻实际产生的控制力矩。

2.根据权利要求1所述的基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法，其特征在于：步骤三具体包括：

(7)将当前时刻控制力矩M_C、一子级箭体转动的初始角速度ω₀带入箭体绕质心动力学方程组，求解后得到当前时刻一子级箭体转动的角速度ω；

(8)使用四元数法表示姿态运动学方程，求解该方程得到四元数q；

(9)根据姿态角、本体坐标系和发射坐标系，得到本体坐标系到发射坐标系的转换矩阵A和四元数表示的本体坐标系到发射坐标系的转换矩阵B，将俯仰角变化区域划分为4部分，根据转换矩阵A和转换矩阵B，按照俯仰角数值所属的区域，用四元数q计算出箭体当前时刻的姿态角。

3.根据权利要求2所述的基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法，其特征在于：在步骤(9)中，姿态运动学方程如下：

其中，ω_x(t),ω_y(t),ω_z(t)分别为当前时刻箭体转动的角速度ω(t)在本体坐标系中沿x,y,z方向的分量，q为四元数，为四元数的导数。

4.根据权利要求1所述的基于多执行机构的运载火箭子级垂直返回控制方法，其特征在于：在步骤二中，通过姿态执行机构的使用原则使用执行机构包括：首先使用栅格翼进行姿态控制，如果栅格翼最大控制力矩小于姿态调整所需的控制力矩，则使用栅格翼和主发动机提供姿态控制力矩；如果栅格翼和主发动机联合做能提供的最大控制力矩小于姿态调整所需的控制力矩，则使用栅格翼、主发动机和反作用推力器联合进行姿态控制。