[发明专利]一种运载火箭的大气层内在线轨迹规划方法

说明书

本发明涉及一种运载火箭大气层内轨迹规划方法，是一种基于飞行器在线自主轨迹规划方法，属航天制导控制领域。本发明使运载火箭能够实现在大气层内故障状态下的自救，在故障情况下完成预期目标，减少经济损失和降低安全风险；提出的模型补偿序列凸规划方法能够适应复杂的大气模型，对火箭、导弹等飞行器的大气层内飞行轨迹规划具有通用性。

技术领域

本发明涉及一种运载火箭大气层内轨迹规划方法，是一种基于飞行器在线自主轨迹规划方法，属航天制导控制领域。

背景技术

传统的运载火箭，都是一次发射，起飞后不管，即起飞后如遇到发动机故障或其它意外情况，只能听天由命，不能进行轨迹自主规划，因而不具备故障挽救能力，因此在故障情况下往往会造成较大的经济损失，甚至会发生安全事故。目前已有一些针对运载火箭的轨迹规划方法，如伪谱法、直接打靶法等，但这些方法难以满足实时性要求，无法在线实现，只能通过离线方式规划弹道，然后通过远程遥控方式上传至火箭，这种方式一方面需要地面测控设备和大量技术人员支持，耗费巨大的人力物力成本，另一方面还受测控弧段和天地通讯情况的限制，当某些故障发生在测控盲区时或者出现天地通讯故障时，仍会使得火箭无法接收到地面指令而导致故障无法挽救。

发明内容

本发明所要解决的问题是：克服现有技术的不足，提出一种运载火箭大气层内在线轨迹规划方法，该方法以凸优化理论为基础，设计了模型补偿策略，能够处理大气层内的复杂气动力，从而将火箭大气层内轨迹规划问题转化为一个序列凸规划问题，当火箭出现状态参数不正常或检测到故障信息时，利用已有的凸优化算法(原始-对偶内点法)，使得箭上计算机能够在线规划新的飞行轨迹(包含自主垂直返回或进入救援轨道)，并自主控制火箭沿新的轨迹飞行。该发明使得运载火箭可以通过轨迹自主规划而具备故障挽救能力，在故障情况下减少经济损失和降低安全事故风险，通过自主的方式，不依赖地面设备和人员，降低了经济成本；不受测控条件限制和天地通讯条件约束，提高了任务适应能力。

本发明提出了基于运载火箭在线自主的大气层内轨迹规划方法，根据飞行器携带的相关传感器敏感到的自身状态参数如速度位置和动力故障参数等信息，进行在线自主判断，当状态参数与动力系统工作正常时，不进行轨迹规划，沿预先装订轨迹飞行，当状态参数不正常或检测到动力故障信息时，通过箭上计算机中的以凸优化算法为核心的轨迹规划算法，自主规划新的飞行轨迹(包含自主垂直返回或进入救援轨道)，并自主控制火箭沿新的轨迹飞行。该发明使得运载火箭可以通过轨迹自主规划而具备故障挽救能力，在故障情况下减少经济损失和降低安全事故风险，通过自主的方式，不依赖地面设备和人员，降低了经济成本；不受测控条件限制和天地通讯条件约束，提高了任务适应能力。

本发明的技术解决方案是：

一种运载火箭的大气层内在线轨迹规划方法，当火箭出现状态参数不正常或检测到故障信息时，根据飞行任务与飞行器的气动参数特征，将火箭动力学中的非线性项(气动力加速度和重力加速度)设为线性变化的值，并将轨迹规划问题转化为一个凸规划问题；然后序列地利用前一次得到的最优轨迹补偿下一次迭代时轨迹规划问题中动力学的非线性项，直到前后两次迭代的最优解范数之差满足一定的收敛域。通过在序列凸规划问题中增加柯西约束，保证得到的序列最优解为一组柯西序列，从而保证了该方法的收敛性。最后针对火箭上升段与着陆段的轨迹规划问题，通过仿真实验，对该算法进行了仿真验证；

详细步骤为：

(1)构建运载火箭轨迹规划问题序列凸优化模型；

1)建立运动学模型

在发射点惯性坐标系下，建立火箭的运动方程为：