[发明专利]一种考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆轨迹优化方法

说明书

本发明实施例提供了一种考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆轨迹优化方法，包括：获得坐标系定义、小天体引力场计算方法、以及探测器离散质点模型；依据所述坐标系定义、小天体引力场计算方法、以及探测器离散质点模型，获得探测器六自由度动力学模型；依据所述探测器六自由度动力学模型，采用间接法获得燃料最优两点边值问题模型；依据所述燃料最优两点边值问题模型，采用两阶段同伦法对燃料最优两点边值问题模型进行求解，获得考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆燃料最优轨迹。根据本发明实施例提供的技术方案，可实现对小天体着陆轨迹优化问题的有效求解，获得六自由度燃料最优轨迹，避免引力姿轨耦合作用下刚体探测器轨迹跟踪时产生的额外燃料消耗，保证了着陆任务的燃料最优性。

【技术领域】

本发明涉及行星着陆技术，尤其涉及一种考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆轨迹优化方法。

【背景技术】

对小天体进行着陆探测与采样返回能够获得土壤样本与高分辨率数据，已成为目前小天体探测的主要形式之一。为延长探测器后续任务寿命，着陆轨迹规划通常被升级为以燃料消耗最少为目标的着陆轨迹优化问题。

值得注意的是，目前针对小天体着陆轨迹优化的研究均将探测器近似为一个质点而非一个刚体进行计算，忽视了引力姿轨耦合效应对探测器运动的影响。引力姿轨耦合效应是指，探测器在中心天体引力的作用下，其轨道运动与姿态运动互相影响的一种现象。当探测器与天体距离较远时，引力对探测器影响不明显，耦合效应较小可忽略不计；然而在探测器着陆小天体的过程中，两者间距离逐渐接近，这将导致耦合效应逐渐增大。同时，由小天体不规则形状所造成的不规则引力场也会加剧这种效应。因此，将探测器近似为质点将导致轨迹优化算法无法考虑引力姿轨耦合效应的影响，当现实场景中的刚体探测器跟踪基于质点的最优轨迹时，需要消耗额外的燃料抵消耦合效应对探测器运动的扰动，从而破坏了着陆任务所希望达到的燃料消耗最少的优化目标。因此，在轨迹优化过程中视探测器为刚体，充分考虑引力姿轨耦合效应并进行优化，对实现着陆任务燃料消耗的最优化具有十分重要的意义。

【发明内容】

有鉴于此，本发明实施例提供了一种考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆轨迹优化方法，通过对刚体探测器的六自由度建模实现对引力姿轨耦合效应的准确表征，并将姿态控制引入轨迹优化过程，在获得最优位置轨迹的同时获得最优姿态轨迹，以实现引力姿轨耦合效应下的小天体着陆轨迹燃料消耗最优化。

本发明实施例提供了一种考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆轨迹优化方法，包括：

获得坐标系定义、小天体引力场计算方法、以及探测器离散质点模型；

依据所述坐标系定义、小天体引力场计算方法、以及探测器离散质点模型，获得探测器六自由度动力学模型；

依据所述探测器六自由度动力学模型，采用间接法获得燃料最优两点边值问题模型；

依据所述燃料最优两点边值问题模型，采用改进后的两阶段同伦法对燃料最优两点边值问题模型进行求解，获得考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆燃料最优轨迹；

其中，所述采用改进后的两阶段同伦法对六自由度燃料最优两点边值问题模型进行求解的过程至少包括：

步骤一、在传统同伦法的基础上引入姿态同伦参数ε_a以及探测器转动能量消耗项，构建同伦优化指标；

步骤二、依据同伦优化指标构建哈密尔顿函数H_ε，进而获得切换函数ρ_o与ρ_a；

步骤三、依据切换函数以及庞特里亚金极小值原理，获得探测器控制力及控制力矩的最优控制策略；

步骤四、依据最优控制策略，分两个阶段对燃料最优两点边值问题模型进行求解：第一阶段实现对轨道同伦参数ε_o的迭代，第二阶段实现对姿态同伦参数ε_a的迭代。