[发明专利]一种探月飞船跳跃式再入的跃起点能量管理方法

摘要

本发明公开了一种探月飞船跳跃式再入的跃起点能量管理方法，首先采用最大倾侧角再入，以利于探月飞船捕获；然后控制探月飞船的能量耗散速率与能量耗散量，并根据在线参数辨识结果实时预估跃起点处的能量值，确定能量管理段的退出时机；最后按预设的常值倾侧角飞行，使飞船在预定能量值处跃起。本发明的方法能对跃起点处的能量实施精细管理，从而提高探月飞船大气捕获的概率，为后续航程预留合适的能量。

主权项

一种探月飞船跳跃式再入的跃起点能量管理方法，其特征在于，该方法为：1）探月飞船再入大气层前，令一次再入段的倾侧角为常数，设计满足航程约束、过程约束和终端约束的标称轨道，并存储以下参数：一次再入段探月飞船的速度值及该速度值对应的阻力加速度值、升力加速度值及标称倾侧角值ν_std，跃起点的标称能量值E_std；预先设定探月飞船的气动过载值n_set；2）从探月飞船的再入点起，控制探月飞船按允许的最大倾侧角ν_max飞行，判断探月飞船的气动过载值n是否大于上述预先设定的探月飞船的气动过载值n_set；若是，则设定期望的探月飞船能量耗散速率C_E、阻力加速度比例因子初值和升阻比比例因子初值进入步骤3）；否则，进入步骤11）；其中，C_E为常数；3）测量得到探月飞船的视加速度根据惯性导航原理得到探月飞船当前时刻的飞行速度地心距水平高度和高度变化率由计算得到探月飞船阻力加速度的测量值和升力加速度的测量值从而得到升阻比的测量值${\left(\frac{L}{D}\right)}_m^{\left[k\right]}=\frac{L_m^{\left[k\right]}}{D_m^{\left[k\right]}};$4）根据上述步骤1）中存储的一次再入段探月飞船的速度值及该速度值对应的阻力加速度值、升力加速度值，得到探月飞船当前时刻的飞行速度对应的标称阻力加速度值和标称升力加速度值从而得到升阻比的标称值${\left(\frac{L}{D}\right)}_{\mathrm{std}}^{\left[k\right]}=\frac{L_{\mathrm{std}}^{\left[k\right]}}{D_{\mathrm{std}}^{\left[k\right]}};$5）对再入过程中的大气密度偏差和气动系数偏差进行辨识，计算阻力加速度比例因子和升阻比比例因子由低通滤波器获得阻力加速度比例因子的估计值和升阻比比例因子的估计值其中，为阻力加速度的测量值；6）利用C_E求探月飞船的标准纵向升阻比${\left(\frac{L}{D}\right)}_{\mathrm{Long}\_\mathrm{std}}^{\left[k\right]}=m[-\frac{{6C}_E}{\mathrm{\β}{\left(V_m^{\left[k\right]}\right)}^3}-\frac{\left(V_m^{\left[k\right]}\right)g}{C_E}+\frac{{\left(V_m^{\left[k\right]}\right)}^3}{r_m^{\left[k\right]}{C}_E}];$其中，β为大气密度系数，g为地球引力加速度；m为探月飞船质量；7）利用下式计算期望的纵向升阻比${\left(\frac{L}{D}\right)}_m^{\left[k\right]}\cos {\mathrm{\ν}}_{\mathrm{Ctrl}}^{\left[k\right]}={\left(\frac{L}{D}\right)}_{\mathrm{Long}\_\mathrm{std}}^{\left[k\right]}+K_E({-V}_m^{\left[k\right]}{D}_m^{\left[k\right]}-C_E)+K_{\stackrel{\·}{E}}[{\stackrel{\·}{h}}_m^{\left[k\right]}-\frac{3{\left(D_m^{\left[k\right]}\right)}^2}{\mathrm{\β}{C}_E}];$其中，K_E为能量偏差增益系数，为能量变化率偏差增益系数；则飞船制导指令倾侧角的余弦为：$\cos {\mathrm{\ν}}_{\mathrm{Ctrl}}^{\left[k\right]}=\frac{{(L/D)}_{\mathrm{Long}\_\mathrm{std}}^{\left[k\right]}}{{(L/D)}_m^{\left[k\right]}}+\frac{K_1(-V_m^{\left[k\right]}{D}_m^{\left[k\right]}-C_E)+K_2[{\stackrel{\·}{h}}_m^{\left[k\right]}-\frac{3{\left(D_m^{\left[k\right]}\right)}^2}{\mathrm{\β}{C}_E}]}{{(L/D)}_m^{\left[k\right]}};$8）利用下式计算探月飞船跃起点处能量的期望值E_Exp：$E_{\mathrm{Exp}}=\frac{E_{\mathrm{std}}\·K_{D\_\mathrm{est}}^{\left[k\right]}}{K_{\mathrm{LD}}^{\left[k\right]}};$根据下式计算能量管理段退出时刻探月飞船的速度V_Exit：$E_{\mathrm{Exp}}=\frac{1}{2}{V_{\mathrm{Exit}}}^2+{\mathrm{mgh}}_m^{\left[k\right]}-\frac{{3\mathrm{mr}}_m^{\left[k\right]}{C_E}^2}{\mathrm{\β}(\frac{-r_m^{\left[k\right]}{\left(\frac{L}{D}\right)}_m^{\left[k\right]}{C}_E\cos {\mathrm{\ν}}_{\mathrm{std}}}{V_{\mathrm{Exit}}}+m{V_{\mathrm{Exit}}}^2-{\mathrm{mgr}}_m^{\left[k\right]})};$9）若探月飞船当前时刻的飞行速度则重复步骤3）～10），直到≤V_Exit，退出能量管理段；11）探月飞船进入标称倾侧角值ν_std飞行段，直至探月飞船高度变化率