[发明专利]小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法

说明书

本发明公开的小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：通过选取面状探测器附着过程中的姿轨状态量及推力器控制量为优化变量，将敏感器视场约束、推力器控制约束以及探测器整体姿态约束描述为对优化变量的约束函数，根据附着燃耗及平稳性需求设计性能指标函数，将面状探测器附着轨迹规划问题建模为姿轨一体优化问题；通过优化求解器，求解所建模的优化问题，得到最优附着轨迹及相应控制序列；针对优化求解器输出的附着轨迹与控制序列间的匹配误差，设计误差反馈项修正优化所得控制量，得到精确匹配的面状探测器附着轨迹及推力器控制序列，进而使面状探测器按优化目标实现高精度低燃耗平稳附着。

技术领域

本发明涉及一种小天体探测器轨迹规划方法，尤其涉及一种小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

小天体附着技术是小天体探测任务的关键技术，是实现小天体表面原位巡视探测等一系列高科学回报任务的基础。然而，由于小天体引力弱而不规则，传统立方体构型的探测器在附着时易出现反弹逃逸、翻滚失控及倾覆损毁等问题，欧空局的“菲莱”着陆器就在附着时发生了反弹而落入阴影区失联。采用面状构型的探测器完成小天体附着任务，有利于增大附着接触面积，降低反弹与倾覆风险，是提高附着成功率的有效途径。由于面状探测器的构型特殊，一方面，其附着平稳性需求与导航观测视场需求对附着过程提出了复杂耦合的约束条件；另一方面，其配置的推力器推力幅值及方向只能在一定范围内调整，控制能力受限，且附着所需轨控推力及姿控力矩均由面状探测器上下表面各推力器合成，附着动力学及约束姿轨耦合。传统的小天体附着制导问题通常将姿态控制作为内回路，附着轨迹规划方法无需考虑探测器姿态自由度，而面状探测器由于构型及配置特殊，附着动力学及约束姿轨耦合，在研究其附着轨迹规划问题时，考虑面状探测器姿态状态量，进行姿轨一体化建模及规划是非常必要的。

发明内容

针对传统小天体附着轨迹规划方法不适用于动力学及约束复杂耦合的面状探测器附着的问题，本发明主要目的是提供小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法，将面状探测器附着轨迹规划问题建模为姿轨一体优化问题，求解满足耦合约束条件并使燃耗及附着平稳性加权最优的附着轨迹及相应控制序列。针对优化求解器输出的附着轨迹与控制序列间的匹配误差，设计误差反馈项修正优化所得控制量，得到精确匹配的面状探测器附着轨迹及推力器控制序列，进而使面状探测器按优化目标实现高精度低燃耗平稳附着。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法，通过选取面状探测器附着过程中的姿轨状态量及推力器控制量为优化变量，将敏感器视场约束、推力器控制约束以及探测器整体姿态约束描述为对优化变量的约束函数，根据附着燃耗及平稳性需求设计性能指标函数，将面状探测器附着轨迹规划问题建模为姿轨一体优化问题；通过优化求解器，求解所建模的优化问题，得到最优附着轨迹及相应控制序列；针对优化求解器输出的附着轨迹与控制序列间的匹配误差，设计误差反馈项修正优化所得控制量，得到精确匹配的面状探测器附着轨迹及推力器控制序列，进而使面状探测器按优化目标实现高精度低燃耗平稳附着。

本发明公开的小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法，包括如下步骤：

步骤一、将面状探测器小天体附着轨迹规划问题建模为姿轨一体优化问题，选取探测器整体位置与姿态为状态量，各推力器推力幅值与方向为控制量，建立面状探测器附着动力学模型，并对附着过程中耦合约束条件进行统一描述，所述耦合约束条件包括探测器姿态约束、敏感器视场角约束以及推力器控制约束。

步骤一的具体实现方法为：