[发明专利]凸曲率着陆轨迹燃耗优化方法

说明书

本发明公开的凸曲率着陆轨迹燃耗优化方法，属于深空探测技术领域。本发明将优化问题中的指标和约束均处理为符合二阶锥规划问题的形式，使用内点法求解燃耗优化轨迹，具有优化速度快且无局部最优解的优势；将凸优化方法引入凸曲率轨迹设计中，将凸曲率轨迹特性转化为状态矢量的角度约束，通过构造含曲率相关约束的燃耗优化二阶锥规划问题，使着陆轨迹保留凸曲率轨迹在避障和观测方面既有优势的同时，有效兼顾燃料经济性；将曲率约束和轨迹实时优化方法相结合，设计参数化的曲率调节机制，根据着陆区实际地形条件，调节曲率约束序列函数中的可调参数值，在保证较高燃耗经济性的同时定量控制附着轨迹的弯曲程度，以适应不同任务条件下的各种避障需求。

技术领域

本发明涉及一种行星着陆轨迹优化方法，尤其涉及一种动力下降段几何凸 曲率轨迹优化方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

随着火星和小天体探测任务的深入开展，探测任务的复杂程度不断提升， 着陆探测已经成为当前主要的探测手段。由于着陆器在动力下降段受到大气阻力 或不规则引力场等因素带来的复杂扰动，自主实时制导与控制的精度有限。同时 由于着陆器对动力学环境和地形环境的自主感知能力较弱，在不确定性较强的复 杂地形条件下着陆将会面临较大风险。因此，早期的着陆探测任务一般选取地形 开阔平坦的区域作为预定着陆区。为了获取具有更高科学价值的探测数据，未来 的行星着陆任务需要在表面地形更加崎岖，障碍分布更加广泛的区域实施着陆。 为增强着陆器的自主风险应对能力，一方面需要具备更高效的环境感知与障碍识 别功能，另一方面需要设计更加稳健的着陆制导策略，使着陆器在地形障碍不确 知的情况下尽可能规避潜在风险。传统的能量最优反馈制导方法由于无法处理地 形障碍带来的禁飞区约束，在复杂地形着陆任务中不再适用。基于多项式参数优化的着陆轨迹设计方法针对具体的地形障碍设置禁飞区，但在地形环境不确知的 条件下还需要设计更加通用的轨迹形状约束，以降低碰撞风险。曲率制导方法在 能量最优反馈制导律和多项式轨迹的基础上，通过控制着陆轨迹曲率函数的符 号，使着陆器始终沿几何凸曲率轨迹下降。在复杂地形着陆任务中，几何凸曲率 轨迹同时具有提高地形障碍规避能力和扩大着陆区域的可观测范围两大优势。但 在现有方法中，曲率调节规则和使用的调节方法还比较粗糙，属于一种确定性制 导方法，仅能够定性地控制曲率的正负，不能定量调节曲率的数值，也不能兼顾 附着轨迹设计中的其他性能指标的优化，如燃耗、飞行时间等。综上，曲率制导 方法的进一步完善，需要将曲率约束和轨迹实时优化方法相结合，在保持几何凸 曲率原有避障和观测优势的基础上，考虑对燃料消耗等指标的优化，同时设计参 数化的曲率调节机制，定量控制附着轨迹的弯曲程度，提高算法对不同地形条件 的适用性。

发明内容

本发明公开的凸曲率着陆轨迹燃耗优化方法要解决的技术问题为：在凸曲率 轨迹约束下优化着陆轨迹燃耗以实现行星表面稳健着陆。本发明具有如下优点： (1)采用凸优化方法进行轨迹燃耗优化，优化速度快，适用于着陆器自主实时 制导解算；(2)使用凸曲率轨迹，在不确知环境下着陆具有障碍易规避和着陆区 早观测的优势；(3)曲率约束具备参数可调节性，在保证较高的燃耗经济性的同 时能够控制着陆轨迹的弯曲程度，以适应不同任务条件下的各种避障需求。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。