[发明专利]一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法

摘要

一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，在深空天体软着陆过程中使用变推力摇摆发动机进行姿态控制会对着陆轨迹产生干扰。在线估计出变推力摇摆发动机摆角中用于消除质心偏移的部分，并修正飞行姿态是降低变推力摇摆发动机姿控与轨控耦合的重要措施。本发明首先需要对变推力摇摆发动机的摆角进行在线估计，提取出摆角的稳定分量；然后，利用该摆角稳定分量估值修正目标飞行姿态，使校正后的推力方向与制导律期望的推力方向一致，以主动消除变推力摇摆发动机姿控摆动对制导的影响。本发明能够在姿控的同时最大程度地降低对制导的干扰，即使制导无三方向位置控制能力时，也能尽可能保证飞行轨迹与理想轨迹一致。

主权项

一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，其特征在于：包括步骤如下：(1)建立三维XYZ坐标系，将X轴定义为着陆器三个惯量主轴的滚动轴、将Y轴定义为着陆器三个惯量主轴的俯仰轴、将Z轴定义为着陆器三个惯量主轴的偏航轴，摇摆发动机设置于沿X轴方向，摇摆发动机沿着陆器Y、Z轴摆动输出可变推力；(2)根据着陆器制导系统输出的目标加速度方向和目标加速度变化率以及姿控系统输出的摇摆发动机摆角控制量，进行姿态指令规划生成着陆器的目标姿态和姿态角速度；(3)在步骤(1)建立的三维坐标系下，将步骤(2)生成的着陆器的目标姿态和姿态角速度与着陆器的导航系统提供的着陆器当前姿态和姿态角速度测量值进行比较，形成用于着陆器三轴姿态控制的滚动通道的姿态和姿态角速度误差、俯仰通道的姿态和姿态角速度误差及偏航通道的姿态和姿态角速度误差；(4)在步骤(1)建立的三维坐标系下，根据着陆器的导航系统估计的着陆器质量，计算出着陆器的质心位置；再由着陆器制导系统输出的摇摆发动机推力比例计算出摇摆发动机目标推力大小指令，以及目标推力大小指令在俯仰和偏航方向能够产生的最大控制力矩；根据最大控制力矩和着陆器的控制器中存储的俯仰和偏航通道的自然频率和阻尼比这些闭环控制系统参数，实时调整着陆器的俯仰和偏航通道的PID控制参数包括控制器比例项系数、积分项系数和微分项系数；(5)在步骤(1)建立的三维坐标系下，根据步骤(3)计算的滚动通道姿态和姿态角速度误差用比例‑积分‑微分PID控制方法生成控制力矩指令，将控制力矩指令经脉宽调制PWM生成指令脉宽，将生成的指令脉宽发送给滚动通道姿控发动机输出，完成对滚动轴的姿态控制；(6)在步骤(1)建立的三维坐标系下，根据步骤(3)计算的俯仰和偏航通道姿态和姿态角速度误差，由步骤(4)生成的PID控制参数，形成摇摆发动机的摆角控制量，该摆角控制量发送给摇摆发动机，该摆角控制量也反馈给步骤(2)用于校正目标姿态；摇摆发动机根据该摆角控制量调整发动机摆角，同时根据步骤(4)生成的摇摆发动机目标推力大小指令输出发动机推力，形成对俯仰和偏航通道的姿态控制力矩，完成对俯仰和偏航轴的姿态控制。