[发明专利]一种月面基地发射低轨道环月飞行器燃耗最省控制方法

说明书

一种月面基地发射低轨道环月飞行器燃耗最省控制方法，属于深空探测飞行器最优控制技术领域，采用基于庞特里亚金极小值原理的间接法和一维数值搜索的直接法相结合的混合法，以达到准确入轨的同时，最大限度节省燃料消耗，以减轻飞行器结构重量，增加有荷载荷，提高航天发射和空间活动的效益。本发明给出的方法结合了间接法和直接法的优点：通过间接法将问题转化为单自由度单参数搜索问题，通过直接法具体求解，可以保证月面基地发射低轨环月轨道飞行器最省燃耗控制的全局最优性、求解过程的快速性、控制方法在工程实施上的简便可行性。

技术领域

本发明属于深空探测飞行器最优控制技术领域，具体为一种月面基地发射低轨道环月飞行器染好最省控制方法。

背景技术

在月面基地发射环月轨道飞行器对于月球探测工程，以及实现我国月球探测“绕-落-回”三步走的第三步具有重要意义。对飞行器升空入轨过程的控制规律和相应的轨迹进行优化，最大限度节省燃耗，可以减轻飞行器结构重量、扩大飞行航程、扩展任务范围，在航天工程中历来都是备受重视的关键技术。截止现在，还未发现有专门论述月面基地发射环月轨道飞行器最优控制方法和技术的文献资料。

发明内容

本发明的目的是给出一种月面基地发射低轨道环月飞行器燃耗最省控制方法，以达到准确入轨的同时，最大限度节省燃料消耗，以减轻飞行器结构重量，增加有荷载荷，提高航天发射和空间活动的效益。为实现上述目的采用如下技术方案：

一种月面基地发射低轨道环月飞行器燃耗最省控制方法，具体包括以下步骤：

月面发射低轨道环月飞行器的上升转弯入轨段，飞行器的飞行高度和纵程比起月球半径是小量，在设计算法时，将月面视为平面，月球引力场为均匀重力场，将发射阶段的飞行器飞行力学方程简化为下式：

其中x,y分别是飞行器的飞行纵程和飞行高度，v_x,v_y分别是其速度的水平和竖向分量；P,η分别是火箭发动机推力大小和方向角；m是飞行器即时质量；I_s是燃料的比冲；g是月表重力加速度；

其中控制目标是在某一时刻t_f，飞行器满足入轨的飞行高度和速度条件，即：

{y(t_f)＝y^*,v_x(t_f)＝v^*,v_y(t_f)＝0 (2)

性能指标是燃耗最省，即J＝-m(t_f)最小；

火箭发动机推力大小受限，即：

0≤P≤P_max (3)

则概括为标准的最优控制问题如下：

min J＝-m(t_f)

s.t. (4)

其中m₀表示飞行器发射前的总质量，其中包含飞行器自重和燃料质量，y^*表示目标轨道相距月面的高度，v^*表示入轨水平速度，P_max表示火箭发动机的最大推力；

引入哈密顿函数：

利用庞特里亚金极小值原理所导出的一般最优控制必要条件：

经解析推导，得出以下重要结论：

(1)最优推力是开关函数，且至多切换一次；