[发明专利]一种小天体软着陆避障的能量优化方法

摘要

本发明公开的一种小天体软着陆避障的能量优化方法，属于深空探测技术领域。本发明将能量消耗作为优化指标得到确定小天体软着陆能量最优制导律，在能量最优制导律的基础上通过调节时间参数得到避障制导律，根据避障制导律能够保证着陆过程中，探测器与小天体表面不发生碰撞的同时，最大限度地减少避障过程中的能量消耗，从而为小天体软着陆提供更大的能量裕度，保证任务的安全实施。本发明要解决的技术问题为保证着陆器能够有效规避障碍的同时，节省能量消耗，为小天体软着陆保障足够的能量裕度。

主权项

1.一种小天体软着陆避障的能量优化方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：确定小天体软着陆能量最优制导律；在小天体惯性坐标系下，着陆器的动力学模型为其中，r＝[x,y,z]^T和v＝[v_x,v_y,v_z]^T分别为位置和速度矢量；ω为小天体自转角速度；a＝[T_x,T_y,T_z]^T分别为着陆器控制力加速度在惯性系下的三轴分量；分别小天体引力加速度的矢量表达；为表述方便，式(1)简记为由于着陆器动力学模型式(2)是建立在小天体惯性坐标系下，将初始时刻t₀时，着陆点位置坐标为r_f(t₀)，则在着陆时刻t_f时，着陆点位置坐标为r_f(t_f)为着陆时要求着陆器相对于小天体的末端速度v(t_f)为零，则末端速度v(t_f)在小天体惯性系下为v(t_f)＝ω×rf(t_f)     (4)小天体软着陆能量最优的性能指标为其中，Γ为时间参数；则哈密顿函数为欧拉‑拉格朗日条件为控制方程为定义t_go＝t_f‑t为飞行剩余时间，则则由式(8)得，控制力加速度aa＝‑t_gop_r(t_f)‑p_v(t_f)     (10)状态表示为因此，带入式(10)得由式(13)知，当求解出t_go后，得到控制力加速度a，从而得到能量最优制导律；为此，将式(8)带入式(6)有将式(12)带入式(14)有因此，t_go为方程(16)的实正根；由式(16)求解出t_go并带入式(13)得到小天体软着陆能量最优制导律；步骤二：根据导航信息判断是否需要进行避障；导航系统实时获得小天体地形信息，将地形曲面记作geo(x,y,z)＝0      (17)在着陆器着陆过程中，将着陆轨迹(x(t),y(t),z(t))带入式(17)左边，若存在t＜t_f，使得geo(x(t),y(t),z(t))≤0时，着陆器将与小天体发生碰撞，制导方法转入步骤三；若t＜t_f，始终有geo(x(t),y(t),z(t))＞0，则将不发生碰撞，制导方法返回步骤一；步骤三：设计避障制导律，根据避障制导律在线求解得到满足避障要求的时间参数Γ，从而保证着陆器有效规避障碍，节省能量消耗，为小天体软着陆保障足够的能量裕度。