[发明专利]一种智能动力下降轨迹在线规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能动力下降轨迹在线规划方法，主要应用于深空着陆探测器，属于航天器制导、导航与控制技术领域。

背景技术

深空天体软着陆动力下降过程一般可分为六个任务段：1）主减速段：距天体表面高度从约15km到约3km，该段主要任务是软着陆制动，减小着陆器的速度至预设值，高度下降至约3km。2）快速调整段：距天体表面高度从约3km到约2.4km，该段主要任务是快速衔接主减速和接近段。3）接近段：距天体表面高度从约2.4km到约100m，该段主要任务是粗避障。4）悬停段：距天体表面高度约100m，该段主要任务是对着陆区域的精障碍检测。保持着陆器处于悬停状态，利用三维成像敏感器对着陆区进行观测，选择出安全着陆点。5）避障段：距天体表面高度从约100m到约30m，该段主要任务是精避障和下降。6）缓速下降段：距天体表面高度从约30m到0m，该段主要任务是保证着陆器平稳缓速下降到天体表面。

天体软着陆动力下降轨迹的设计是着陆探测器GNC（制导、导航与控制）方案设计的重要方面。Luna和Surveyor系列月球着陆器分别采用了标称轨迹和重力转弯制导，标称轨迹由地面设计确定，重力转弯可现实的标称轨迹也有地面设计确定；Apollo探测器在主减速段和接近段都采用了四次多项式制导，通过在地面优化设计参数实现地面预设的标称轨迹；美国的重返月球计划提出在主减速段采用PEG制导、接近段采用多项式制导；这些着陆器的GNC方案设计中都没有涉及动力下降轨迹的智能在线规划问题。

对于软着陆深空天体，最终的制动减速过程都需要主发动机产生推力实现。主发动机工作需要消耗大量推进剂，着陆器质量变化大以及推进系统的不平衡排放可能引起着陆器质心偏移较大，进而在主发动机推力的作用下会出现干扰力矩大于控制力矩的严重故障问题，导致动力下降过程姿态连续超差，无法安全软着陆。

另外，如果主发动机在轨出现实际推力远低于标称值，就会致使主减速段时间变长、推进剂消耗较多，引起后续任务的推进剂不足；接近段也可能出现同样的问题，接近段还存在由于地形等因素造成的时间过长，导致后续推进剂紧张。对于推进剂在轨出现紧张，必须采取一定措施，否则也无法安全软着陆。还有，接近段出现高度和速度超差问题，也容易引发故障，导致无法安全软着陆。

发明内容

本发明技术解决问题：本发明针对着陆器在轨出现质心偏移过大、接近段出现高度和速度超差和推进剂紧张等情况引起的安全软着陆难题，提出了一种智能动力下降轨迹在线规划方法，满足了着陆器故障情况下的安全软着陆要求。

本发明技术解决方案：一种智能动力下降轨迹在线规划方法，主要为：1）针对着陆器质心偏移较大引起的干扰力矩过大问题，在轨切换推力大小，根据不同状态条件，自适应的规划后续动力下降轨迹以及策略；2）在轨自主判断推进剂状态，根据出现推进剂紧张时对应的着陆器状态条件，智能采用不同的下降策略及轨迹；3）根据接近段高度和速度超差的情况，在线规划后续下降轨迹。

具体实现如下：

针对深空天体软着陆动力下降过程主减速段、快速调整段、接近段和悬停段等四个任务段，根据不同任务段出现的问题，给出了智能轨迹在线规划策略。

（1）对于主减速段，判断是否出现推进剂紧张或由主发动机产生的干扰力矩大于控制力矩导致的主减速段姿态连续超差，如果出现，置标志BKFlag=1（需要进行在线智能轨迹规划）；如果不出现，置BKFlag=0（不进行在线轨迹规划，按原有正常模式执行），控后进入快速调整段。

（2）若BKFlag=1，①如果高度在4.5km以上，则主发动机从大推力切换到中推力，3km的目标状态改为1km的目标状态，主减速制导律结构不变，即只需更换制导目标；1km以下调用安全模式制导律。②如果高度小于等于4.5km，则主发动机从大推力切换到变推力；采用设计的安全模式制导律，目标状态改为100m的悬停目标状态。对于这两种情况，控后都直接进入悬停段。

（3）若BKFlag=0（正常进入快速调整段），对于快速调整段，如果出现高度超差，则置PFlag=1，调用安全模式制导律，目标状态改为100m的悬停目标状态（高度为100m、目标速度为0m/s），控后直接进入悬停段。如果未出现高度超差，则置标志PFlag=0，控后进入接近段。