[发明专利]火星进入段抗饱和轨迹优化方法

说明书

本发明公开的一种火星进入段抗饱和轨迹优化方法，属于飞行器制导控制领域。本发明实现方法为：将跟踪该阻力加速度曲线得到的倾侧角定义为计算倾侧角；采用三水平正交表选取气动参数扰动组合，进而构建计算倾侧角对扰动组合的敏感性公式，通过所述敏感性公式量化气动参数扰动对计算倾侧角的影响；为了满足着陆器在气动扰动下的终端约束要求和抗饱和能力的要求，分别设计终端约束优化指标和基于敏感性公式的抗饱和优化指标，对高度航程约束指标、抗饱和指标两个优化指标进行线性加权，得到提高抗饱和能力的进入轨迹优化综合指标。利用优化方法对上述综合指标进行优化，得到优化后的倾侧角‑能量剖面，跟踪该剖面后得到抗饱和进入轨迹。

技术领域

本发明涉及一种进入轨迹优化方法，尤其涉及一种火星进入段抗饱和轨迹优化方法，属于飞行器制导控制领域。

背景技术

火星着陆探测是当今深空探测的重要领域之一。火星着陆过程一般分为大气进入段、降落伞减速段、着陆段。其中，空域跨度大、气动环境恶劣的大气进入段是火星着陆的关键阶段，该阶段需要借助气动力将速度从5000～7000m/s减小到400m/s左右，极具技术挑战。虽然美国和我国已经先后实现了火星表面的成功着陆，但已实施的火星着陆任务中最大载荷不超过900kg。未来的火星返回任务期望着陆载荷达到2吨以上，但受到运载火箭整流罩直径限制，着陆器有效面积不会显著增加，这就意味着着陆器的弹道系数将增大。弹道系数增大后，大气进入段轨迹偏低，气动扰动影响更大，容易造成轨迹跟踪器的控制饱和，最终影响开伞精度。因此，火星进入制导方法设计中，需要解决参数扰动下的轨迹跟踪控制饱和问题。对于载荷质量较小的火星进入任务，一般通过设计轨迹跟踪律来抑制参数扰动的影响。然而，当载荷质量增大后，由于气动控制能力变弱，仅靠跟踪律难以实现对标称轨迹的精确跟踪，极易出现控制饱和。因此，有必要在标称轨迹设计阶段，提前考虑参数扰动下轨迹的可跟踪性，即设计一条具备抗饱和能力的进入轨迹。该轨迹不但要满足传统的高度、速度、航程等终端约束，还应对气动扰动具有更低的敏感性。

发明内容

针对未来大质量火星着陆器进入轨迹跟踪易饱和的问题，本发明的主要目的是提供一种火星进入段抗饱和轨迹优化方法，定义轨迹跟踪时的倾侧角为计算倾侧角，采用三水平正交表选取气动参数扰动组合，进而构建计算倾侧角对扰动组合的敏感性公式，通过所述敏感性公式量化气动参数扰动对计算倾侧角的影响；为了满足着陆器在气动扰动下的终端约束要求和抗饱和能力的要求，分别设计终端约束优化指标和基于敏感性公式的抗饱和优化指标，结合两个优化指标得到综合优化指标，利用优化方法得到火星进入段抗饱和轨迹，即实现火星进入段抗饱和轨迹优化。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的火星进入段抗饱和轨迹优化方法，建立倾侧角-能量剖面，通过该剖面得到参考阻力加速度曲线，将跟踪该阻力加速度曲线得到的倾侧角定义为计算倾侧角。针对火星进入段的大气密度、升力系数、阻力系数和着陆器质量的扰动，采用三水平正交表选取扰动组合。根据倾侧角对某一种扰动的偏导数，建立计算倾侧角对扰动组合的敏感性公式，根据敏感性公式得到扰动对于着陆器控制能力的定量影响。在给定终端速度的前提下，设计高度航程约束指标，基于着陆器计算倾侧角对典型扰动组合的敏感性公式，设计抗饱和指标，对高度航程约束指标、抗饱和指标两个优化指标进行线性加权，得到提高抗饱和能力的进入轨迹优化综合指标。利用优化方法对上述综合指标进行优化，得到优化后的倾侧角-能量剖面，跟踪该剖面后得到抗饱和进入轨迹，即实现火星进入段抗饱和轨迹优化。

本发明公开的火星进入段抗饱和轨迹优化方法，包括如下步骤：

步骤一、根据初始、终端能量设计能量分段点序列，建立分段线性的倾侧角-能量剖面。以该剖面作为控制量的值，对火星进入动力学方程积分得到参考阻力加速度曲线，利用跟踪律对该曲线进行跟踪，得到的倾侧角定义为计算倾侧角。

步骤一的具体实现方法为：

定义能量e如下：