[发明专利]小天体软着陆燃耗最优轨迹快速在线规划方法

说明书

本发明公开的小天体软着陆最优轨迹快速在线规划方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：确定小天体燃耗最优轨迹控制形式为bang‑bang控制形式，并确定控制推力幅值bang‑bang形式的切换次数，在此基础上，确定控制推力幅值的bang‑bang形式的切换序列。从而将小天体燃耗最优轨迹规划问题转化为对bang‑bang控制切换时刻的在线搜索问题。通过数值预测‑校正策略，对切换时刻进行在线搜索，将两变量搜索问题转化为内外回路的序列单变量搜索问题，实现小天体软着陆燃耗最优轨迹的在线生成，并保证着陆轨迹规划方法的快速性和收敛性。

技术领域

本发明涉及一种轨迹规划方法，尤其涉及小天体软着陆在线快速轨迹优化方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

实施精确软着陆是实现小天体表面原位探测、采样返回任务的前提。由于小天体距离地球遥远，小天体各项物理特性，如自转角速度，引力场分布，天体质量等都存在较大的不确定性。与此同时，小天体着陆过程中，还会受到太阳光压等扰动因素的影响。这些因素使得离线规划轨迹无法实现在线应用。

考虑上述因素，有必要对小天体软着陆轨迹在线规划方法进行研究，在不确定条件下，实现着陆轨迹的快速在线规划。本专利以着陆过程中的燃耗作为性能指标，给出了小天体软着陆最优轨迹速在线规划方法。

发明内容

本发明公开的小天体软着陆最优轨迹快速在线规划方法所解决的技术问题是：在导航系统确定着陆器位置、速度信息后，依据小天体引力场信息，通过轨迹规划方法实现小天体软着陆燃耗最优轨迹的在线生成，并保证着陆轨迹规划方法的快速性和收敛性。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的小天体软着陆最优轨迹快速在线规划方法，确定小天体燃耗最优轨迹控制形式为bang-bang控制形式，并确定控制推力幅值bang-bang形式的切换次数，在此基础上，确定控制推力幅值的bang-bang形式的切换序列。从而将小天体燃耗最优轨迹规划问题转化为对bang-bang控制切换时刻的在线搜索问题。通过数值预测-校正策略，对切换时刻进行在线搜索，将两变量搜索问题转化为内外回路的序列单变量搜索问题，实现小天体软着陆燃耗最优轨迹的在线生成，并保证着陆轨迹规划方法的快速性和收敛性。

本发明公开的小天体软着陆最优轨迹快速在线规划方法，包括如下步骤：

步骤1、确定燃耗最优条件下的控制形式，得到的控制形式满足bang-bang形式。

考虑小天体着陆运动的燃料消耗时，探测器质量m是需要考察的重要参数指标。以为状态变量，探测器在小天体中心固连坐标系下的动力学方程为

其中，ω＝[0,0,ω]^T为行星自转角速度矢量，为当地引力加速度矢量，T＝[T_x,T_y,T_z]^T为探测器推力控制矢量，为推力控制矢量的大小且与控制加速度矢量a_c满足a_c＝T/m，I_sp为飞行器推力器比冲，g_E为地球海平面处的重力加速度。将动力学方程式(1)记为

在小天体着陆制导律设计过程中，需要满足如下边界约束

其中，r₀和v₀分别为初始时刻t＝t₀时，探测器的位置和速度矢量，m₀为探测器在初始时刻的质量；r_f和v_f分别为着陆时刻t＝t_f探测器的目标位置和速度矢量。着陆过程中，探测器推力幅值需要满足如下约束