基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种火星软着陆的制导方法，特别涉及一种基于燃料最优的火星探测 器着陆制导方法，属于深空探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 深空探测及行星着陆采样等关键技术为人类研宄宇宙起源、开发和利用空间资源 奠定了基础。特别是地球的近邻火星，成为人类向外太空开拓的首选。美国"好奇号"火星 车于2011年的成功着陆，掀起了新一轮行星探测及着陆任务热潮。印度和美国分别于2013 年11月5日和18日发射了"火星轨道探测器"和"火星大气与挥发演化任务"探测器，各自 已经于2014年9月24日和22日成功进入火星轨道，将为研宄火星气候与环境的演变带来 新的机遇。此外，美国的火星样本取回计划预计将于2016年将500克火星土壤带回地球。 我国嫦娥三号的软着陆和月球车投放任务的成功实施，实现了动力下降、月面生存与深空 测控通信等一系列关键技术的突破，未来的火星探测及着陆任务也进入最后的准备阶段。
[0003] 在包括火星在内的所有行星着陆的最后阶段，均需利用反推力发动机进行有效减 速并实现目标点安全精确着陆，该阶段即动力下降段，取决于大气层的成分及厚度等信息， 对应的时间跨度各不相同。动力下降段面临精度需求高、复杂地形多、环境不确定性强以及 时间短等诸多挑战，因此其导航、制导与控制系统的性能将直接影响到整个着陆任务的成 败，是火星探测任务需要攻克的最重要的关键技术之一。
[0004] 目前在已有专利查询中与本发明相关的专利有：黄翔宇等人的专利《一种 基于相对导航的高精度安全着陆制导方法》中（【申请号】201310684759. 1，申请公布 号：CNI03662091A)，在实际飞行过程中，首先按照星上规划或地面装订的目标点和制导参 数，以四次多项式制导方式控制探测器减速下降；然后在达到地面预先选定的高度后，启动 光学成像敏感器，根据实际地形重新选择着陆点，并确定着陆点位置；之后，根据新的着陆 点位置，探测器自主完成制导目标参数的规划；接下来根据新的制导参数，以四次多项式制 导律控制探测器到达目标着陆点上空。该方法要求探测器具备较强的计算能力，在适用性 上有所局限。同时，该方法不具备燃料最优性，大大降低了其工程实用性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，以解决针对 现有的显式制导律不能实现燃料最优制导以及最优制导律必须存储整条轨迹导致需占用 探测器较大存储空间的问题。
[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 本发明所述的基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，是按照以下步骤实现 的：
[0008] 步骤一、探测器燃料最优解的获取；
[0009] 步骤二、完成步骤一后，设置路径点并建立路径点库；
[0010] 步骤三、完成步骤二后，设计线性反馈制导律，若探测器初始状态信息与路径点库 的路径点信息匹配，则实施着陆，否则进行步骤四；
[0011] 步骤四、探测器初始状态信息与路径点信息未能直接匹配，进行路径点拟合后实 施着陆。
[0012] 本发明的有益效果是：
[0013] 1、本发明利用路径点信息结合线性制导律进行制导，在保证探测器动力下降段的 燃料最优性的前提下，无需在线计算燃料最优解，降低了探测器计算机的在线计算量。
[0014] 2、对火星探测器的存储能力要求并不严苛。在火星探测器存储空间有限情况下， 本发明只需存储路径点状态信息就可实现探测器的软着陆。相比于离线存储整条最优轨迹 的方法节省了存储空间；
[0015] 3、可以实现着陆过程近燃料最优。相比于其它显式制导律，本发明充分考虑火星 探测器携带燃料的有限性，能够使得探测器基本沿燃料最优轨迹飞行，进而具备近燃料最 优特性；
[0016] 4、具备显式制导的强实时性和高可靠性特性。所构造的一种新的"路径点+线性 制导律"的制导策略，考虑了燃料最优情况下加速度特点设置路径点，并在三段路径点区间 分别利用线性制导律进行分段制导
[0017] 5、能够在线拟合路径点。在探测器初始状态不是所存储的典型初始状态的情况 下，能够在线拟合出探测器在非典型初始状态下对应的路径点，实现路径点与初始状态的 匹配。同样在三段路径点区间分别应用线性制导律，具有一定的工程应用价值。
【附图说明】
[0018] 图1为三分法寻求全局最优解流程图；
[0019] 图2为本发明路径点获取流程图；
[0020] 图3为本发明线性反馈制导律实现流程图；
[0021] 图4为本发明的仿真验证中不同策略对应位置曲线图，其中
【主权项】
1. 一种基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，其特征在于所述方法包括w下步 骤： 步骤一、探测器燃料最优解的获取； 步骤二、完成步骤一后，设置路径点并建立路径点库； 步骤=、完成步骤二后，设计线性反馈制导律，若探测器初始状态信息与路径点库的路 径点信息匹配，则实施着陆，否则进行步骤四； 步骤四、探测器初始状态信息与路径点信息未能直接匹配，进行路径点拟合后实施着 陆。
2. 根据权利要求1所述的基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，其特征在于步骤 一所述的探测器燃料最优解的获取的具体过程为： 步骤一一、利用二分法确定最小可行飞行时间ti，结合任务需求及经验给定可行飞行 时间区间[ti，tj，求解端点时刻ti、tu的燃料最优化问题，获得最优端点燃料燃耗m 1和m U; 步骤一二、将步骤一所述区间S 等分，即 ti= ti+(tu-ti)/3, *2= tu-(tu-ti)/3， 求解t府刻、t拥刻的燃料最优化问题，获得对应最优燃料燃耗m 1和m 2; 步骤一S、若mi〉m2,则取为新的区间，否则取[ti，t2]为新的区间，进行步骤 一四； 步骤一四、重复步骤一一至步骤一S，直到可行飞行时间区间端点时刻满足tu-ti<0. 1 为止，即可获得全局燃料最优解，即获得了探测器最优燃料燃耗及最优加速度。
3. 根据权利要求2所述的基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，其特征在于步骤 一一所述的燃料最优化问题的求解过程为；采用优化软件SeDumi进行求解，通过该软件即 可获得探测器最优燃料燃耗及最优加速度。
4. 根据权利要求3所述的基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，其特征在于步骤 二所述的设置路径点并建立路径点库的具体过程为：由步骤一获得的最优加速度得到探测 器发动机的推力幅值，将推力幅值所对应的两个加速度切换时刻的探测器位置设置为路径 点，所述路径点信息还包括探测器的速度信息，分别定义为路径点一（twi，瑪，VWi)和路径 点二（tw2, rw2, VW2)，其中，t、r、V分别代表两个路径点所对应的时间、位置和速度信息，将 上述路径点一和路径点二所包含的路径点信息存储，从而组成路径点库。
5. 根据权利要求4所述的基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，其特征在于步骤 =所述的设计线性反馈制导律的具体过程为： 设线性制导律的控制加速度形式为： a(t) = tm+n-g (1) 其中m，n为待定常矢量，g为火星表面重力加速度，则有t时刻探测器速度矢量为
其中，V。为探测器初始速度，t。为初始时刻； t时刻探测器位置矢量为
其中，r。为探测器初始位置； 对于给定期望末端时刻tf，末端速度Vf和末端位置r f,定义剩余时间tga= t f - t。，有
联立方程（4)和方程巧），可得常矢量
将式做代入方程（1)，得到控制加速度为
考虑控制推力幅值上限情况时，对控制加速度的幅值进行约束
其中，TmJ%推力幅值±限，M为对应的探测器质量，式（8)即为设计得到的线性反馈制 导律，其中饱和函数的定义为
其中k I表示矢量q的元素的最大绝对值，U = Tm"/M，若探测器初始状态信息与路径 点库的路径点信息匹配，则利用线性制导律实现分段控制，使探测器依次经过路径点一、路 径点二到达着陆点，实施着陆，否则进行步骤四。
6. 根据权利要求5所述的基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，其特征在于步骤 四所述的路径点拟合的方式为；路径点拟合通过线性插值方法或加权函数的方法实现。
7. 根据权利要求6所述的基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，其特征在于所述 线性插值方法的实现过程如下：如果探测器初始状态信息与所存储的路径点状态信息未能 直接匹配，则提取未能直接匹配的初始位置信息，将其与前一匹配点所对应的路径点所包 含的时间、位置、速度信息分别用MATLAB中的"interpl"函数进行线性插值，得到两个路径 点信息后，利用线性制导律实现分段控制，使探测器依次经过路径点一、路径点二到达着陆 点，实施着陆。
8. 根据权利要求7所述的基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，其特征在于所述
的加权函数的方法的实现过程如下： 利用k个与未能直接匹配的初始位置信息距离最近的已有路径点信息进行网格拟合： 设探测器的初始状态为：
其中，a i和P i为权重系数，rJU和VaU}代表第i组网格对应的初始位置和初始速 度加权后，即可获得路径点信息如下：
其中加权常数A需要根据仿真所得数据选取，然后根据拟合所得路径点信息，利用线 性制导律实现分段控制，使探测器依次经过路径点一、路径点二到达着陆点，实施着陆。
【专利摘要】基于燃料最优的火星探测器着陆制导方法，涉及一种火星软着陆的制导方法，属于深空探测技术领域。本发明解决了现有的显式制导律不能实现燃料最优制导以及最优制导律必须存储整条轨迹导致需占用探测器较大存储空间的问题。本发明的技术方案为：探测器燃料最优解的获取；设置路径点并建立路径点库；设计线性反馈制导律，若探测器初始状态信息与路径点库的路径点信息匹配，则实施着陆，否则进行路径点拟合后实施着陆。本发明提出的“路径点+线性制导律”的制导策略，能够基于较小的存储空间实现火星探测器动力下降段的燃料最优制导。本发明适用于火星探测器在动力下降段的制导律。
【IPC分类】B64G1-24
【公开号】CN104590589
【申请号】CN201410802923
【发明人】郭延宁, 马广富, 曾添一, 李传江, 崔祜涛
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月22日