[发明专利]一种基于牛顿迭代的火星探测器二次制动捕获控制方法

说明书

本发明提供了一种基于牛顿迭代的火星探测器二次制动捕获控制方法，捕获制动期间火星探测器发生故障后，星上计算机复位，之后，采用基于牛顿迭代捕获制动优化方法，对火星探测器进行二次制动，保证探测器在火星捕获制动过程中能够顺利进入目标轨道，针对捕获制动期间的故障，能够自主设计二次捕获制动策略。另外，还设置了捕获制动的安全区间，包括制动捕获的最短点火时长和最长点火时长，当星上时间在最短点火时长和最长点火时长区间内，速度增量达到标称速度增量，或者星上时间达到最大点火时长，执行发动机关机操作，使火星探测器在制动捕获时既能形成环火轨道又不会由于点火时间过长而撞击到火星上，保证火星制动捕获的安全性。

技术领域

本发明涉及一种基于牛顿迭代的火星探测器二次制动捕获控制方法，尤其针对目标天体捕获制动控制，提高捕获制动过程的安全性，属于地外天体探测轨道控制技术领域。

背景技术

针对我国2020年执行的自主火星探测，在火星捕获制动过程中，探测器轨道参数变化较大，需要实现由火星双曲线轨道变为火星椭圆轨道的两种不同类型圆锥曲线的轨道转变，如图1所示。火星探测器捕获制动是高风险事件，由于单程二十多分钟的时延，地面测控无法实时测量和遥控，而且还存在减速制动的速度增量大，制动时间长和定轨精度差等不利因素，并且国外也曾多次发生过捕获制动失败的事件。

目前深空探测器在进行制动捕获时，若出现故障则直接停止轨道轨控，在允许的条件下设计新轨道，几年后再次执行制动捕获，如日本的拂晓号金星探测器。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于牛顿迭代的二次捕获制动优化算法，对制动捕获期间的故障进行在轨诊断，若轨控期间发生故障星上计算机自主制动二次制动捕获策略，重新建立制动捕获姿态及计算制动捕获点火时长，提高了制动捕获的可靠性，提高地外天体探测捕获制动阶段的安全性。

本发明的技术解决方案是：一种基于牛顿迭代的火星探测器二次制动捕获控制方法，捕获制动期间火星探测器发生故障后，星上计算机复位，之后，采用基于牛顿迭代捕获制动优化方法，对火星探测器进行二次制动，具体二次制动方法步骤如下：

(2.1)、将匀角速率、姿态指向、点火时长作为捕获制动控制参数，根据预设的匀角速率初值α、姿态指向初值β、制动后出现故障时刻相对于制动发动机开机时刻的持续时间t，计算匀角速率迭代初始值α₀和姿态指向迭代初始值β₀；

匀角速率迭代初始值α₀为：α₀＝α；

姿态指向迭代初始值β₀为：β₀＝β+αt；

(2.2)、设置匀角速率迭代变量的初始变化值为Δα，设置姿态指向迭代变量的初始变化值为Δβ，计算二次捕获匀角速率迭代变量偏差参数α₀′＝α₀+Δα，二次捕获姿态指向迭代变量偏差参数β′₀＝β₀+Δβ；

(2.3)、将匀角速率迭代初始值α₀、姿态指向迭代初始值β₀、二次捕获匀角速率迭代变量偏差参数α₀′，二次捕获姿态指向迭代变量偏差参数β′₀分成三组，分别记为：第一参数组par1＝[α₀,β₀]、第二参数组par2＝[α₀′,β₀]和第三参数组par3＝[α₀,β₀′]；

(2.4)、将第一参数组、第二参数组、第三参数组分别代入二次捕获制动动力学方程中对时间进行积分，终止条件为积分后的位置速度转为轨道参数时得到的轨道偏心率达到目标轨道偏心率，求解得第一参数组、第二参数组、第三参数组对应的制动到目标轨道的点火时长dt1、dt2、dt3；