[发明专利]火星大气进入段轨迹最优跟踪制导方法

说明书

本发明公开的火星大气进入段轨迹最优跟踪制导方法，属于深空探测领域。本发明具体实现方法包括如下步骤：步骤一、建立火星大气进入段探测器纵向动力学模型；步骤二、通过对路径约束和控制约束凸化处理，选取二次型性能指标，建立轨迹最优跟踪问题模型；步骤三、对步骤二中的轨迹最优跟踪问题模型离散化处理，将其转化成二次规划问题，使所述问题能够用内点法在多项式时间内求解，利用数值方法求解离散化的二次规划问题，提高求解效率，进而实现火星大气进入段实时在线制导。本发明将轨迹跟踪制导问题转化为最优控制问题进行求解，能够提高开伞精度。

技术领域

本发明涉及一种火星大气进入段轨迹最优跟踪制导方法，属于深空探测领域。

背景技术

从着陆安全和科学探索价值方面考虑，NASA提出了未来火星着陆任务的关键技术是精确着陆。目前为止，已经有七颗探测器在火星表面成功着陆，这些探测器的着陆过程均沿用海盗号的着陆方案，分为大气进入段、伞降段、动力下降段和最终着陆段。大气进入段是着陆过程的重要阶段，其导航、制导精度对最终着陆精度有决定性影响。在以往其次着陆探测任务中，仅有火星科学实验室任务在大气进入段采用了闭环制导控制方案，并将着陆精度从以往的百公里量级提升至十公里量级，但与精确着陆的目标仍相距甚远。火星科学实验室任务在大气进入段采用的是离线设计、存储轨迹及相关控制系数，并在线跟踪轨迹的制导方案。由于火星大气进入段不确定性和扰动多，离线设计的跟踪控制系数难以适应实际飞行情况，易造成较大的跟踪误差以及控制饱和的情况出现，影响最终着陆精度及安全性。

考虑到机载计算机性能的日益提升，计算制导成为新一代进入段制导算法的主流，代表之一是大气进入段预测-修正制导方法。由于预测-修正制导方法需要对动力学反复积分，降低了制导律求解效率，且在过程约束满足方面，预测-修正制导方法仍缺乏完善的技术，特别是对于火星大气进入段的小升阻比探测器。凸优化方法的全局最优性及计算效率使其具备应用于在线制导的潜力。目前，深空领域的凸优化研究包括火星动力下降段精确着陆问题、接近与交会中的轨迹优化问题以及大气进入过程的轨迹优化问题等。

发明内容

为了解决在火星大气进入段存在不确定性和扰动情况下的探测器精确开伞问题。本发明公开的火星大气进入段轨迹最优跟踪制导方法要解决的技术问题是：提供一种基于凸规划的火星大气进入段参考轨迹最优跟踪制导方法，通过将性能指标、路径约束和控制约束处理成凸约束的形式，将轨迹跟踪问题转化为二次规划问题，使所述问题能够用内点法在多项式时间内求解，求解效率高，能够实现实时在线制导。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的火星大气进入段轨迹最优跟踪制导方法，建立火星大气进入段探测器纵向动力学模型；通过对路径约束和控制约束凸化处理，选取二次型性能指标，建立轨迹最优跟踪问题模型；对轨迹最优跟踪问题模型离散化处理，将其转化成二次规划问题，利用数值方法求解离散化的二次规划问题，提高求解效率，进而实现火星大气进入段实时在线制导。

本发明公开的火星大气进入段轨迹最优跟踪制导方法，包括如下步骤：

步骤一、建立火星大气进入段探测器纵向动力学模型；

在火星惯性坐标系下，忽略火星自转，取探测器的纵向平面内运动状态为x＝[r,γ,s]^T，其中，r探测器质心到火星质心的距离，γ为飞行路径角，s为航程，则大气进入段无量纲的纵向动力学模型为：

式(1)中，V为探测器速度大小，u＝cosσ为控制量，σ为倾侧角。在无量纲化过程中，长度的量纲单位为火星半径R₀，速度的无量纲单位为其中为火表引力加速度，μ为火星引力常数。时间的无量纲单位为角度的单位为弧度，不需要无量纲化处理。式(1)中，L和D分别为探测器受到的无量纲升力和阻力加速度，分别具有如下形式：

L＝D·L/D (3)