[发明专利]一种火星进入飞行状态不确定性量化方法

说明书

本发明公开了一种火星进入飞行状态不确定性量化方法，通过多项式混沌理论将随机火星进入动力学转化为等效的确定性动力学微分方程组。利用谱分解理论实现在火星进入飞行状态不确定性的统计特征剧烈变化时对多项式混沌中的正交基的更新，从而保证在多项式阶数不增加的情况下对不确定性量化的准确度。采用随机空间分解理论抑制在初始状态不确定性情况下的方程维数的剧烈增加，从而提高计算效率。本发明适用于对火星进入飞行的瞬时状态不确定性量化和状态演化不确定性量化。

技术领域

本发明属于飞行力学技术领域，具体涉及一种火星进入飞行状态不确定性量化方法。

背景技术

火星进入段起始于飞行器到达火星大气层边界，终止于降落伞顺利展开，是整个火星探测任务中最关键的阶段之一。火星进入飞行技术是火星着陆探测任务的关键技术之一。然而，存在于火星大气密度、飞行器气动参数和初始状态中的不确定性通常会导致较大的飞行轨迹偏差和着陆偏差。因此，对火星进入状态轨迹的不确定性进行量化评估，以便于理清火星进入不确定性演化规律，是开展火星大气进入飞行系统设计和研究的重要前提。例如，鲁棒优化设计、风险与可靠性评估、以及任务前的高保真仿真与系统验证等都需要提前知道火星进入不确定性及其演化规律，避免单纯依赖经验进行相关设计。但现有的不确定性量化方法大都集中于流体力学、结构力学、多体动力学等领域，尚缺乏适用于火星进入飞行状态不确定性量化的方法。并且由于火星进入动力学具有高维和强非线性特征，难以直接应用传统的不确定性量化方法实现对火星进入不确定性的快速准确地量化评估。

不确定性量化是定量描述和评估系统中不确定性及其演化的一种手段。蒙特卡洛仿真是一种可用于分析不确定性分布的常用技术，它利用大量的随机样本作为初始输入条件，按照给定的步长进行演化计算，得出动力学系统响应，进而分析出状态轨迹的统计特性。但由于火星进入动力学是一个高维非线性系统，且不确定性参数较多，蒙特卡洛仿真的效率低下，为了得到较准确的分析结果需要大量的仿真计算次数。线性协方差分析法也常被用于线性或弱非线性系统的不确定性演化分析，但由于火星进入动力学系统具有全局的高维强非线性，线性协方差分析所基于的局部线性化难以准确近似原系统，这将导致不确定性量化分析难以达到较好的精度。多项式混沌是近年来研究不确定性量化的一类热点方法，其基本思想是利用正交多项式处理带有随机变量的随机过程问题，将系统的解在随机参数空间进行有限阶的多项式展开，通过伽辽金投影得出关于展开系数的方程组，进而求解出包含统计特性的精确解，从而以显式表达不确定性随状态轨迹的演化。但由于传统的多项式混沌需要对原系统模型进行改写，这对于具有高维状态和高维不确定性参数的火星进入不确定性量化问题而言，联立的方程组数量将远大于原问题的维数，使得求解效率大大降低。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种火星进入飞行状态不确定性量化方法，以解决现有技术中火星进入动力学具有高维和强非线性特征，难以直接应用传统的不确定性量化方法实现对火星进入飞行状态不确定性的快速准确地量化评估的问题。

本发明方法的原理是利用随机变量表征火星进入动力学的不确定性，结合多项式混沌计算框架，通过考虑不确定性的统计特征随动力学非线性的变化来提高传统的不确定性量化方法的精度，通过对随机空间的自适应分解来抑制等效方程组维数的增加，从而得到一种适用于高维非线性火星进入动力学系统的不确定性量化方法，以实现高效准确的火星进入飞行状态不确定性量化。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种火星进入飞行状态不确定性量化方法，包括步骤如下：

1)建立火星进入动力学模型；

2)建立含有不确定性的火星大气进入随机动力学模型；

3)获得等效的确定性微分方程组；

4)对等效的确定性微分方程组执行谱分解；

5)对系统状态执行随机空间分解；