一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃方法
【專(zhuān)利摘要】一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃方法，步驟如下：首先，判斷主減速段是否出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張或由主發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的干擾力矩大于控制力矩導(dǎo)致的姿態(tài)連續(xù)超差，若出現(xiàn)，則采取推力切換、重新安排制導(dǎo)律及模式切換順序的軌跡在線規(guī)劃策略，直接進(jìn)入懸停段，否則不進(jìn)行軌跡規(guī)劃；其次，判斷快速調(diào)整段是否高度超差，若是，則調(diào)用安全模式制導(dǎo)律，目標(biāo)狀態(tài)改為懸停目標(biāo)，否則不進(jìn)行軌跡規(guī)劃；然后，判斷接近段是否出現(xiàn)高度或速度超差，若出現(xiàn)，則重新規(guī)劃接近段制導(dǎo)目標(biāo)、調(diào)用安全模式制導(dǎo)律，直接進(jìn)入懸停段，否則不進(jìn)行軌跡規(guī)劃；最后，判斷懸停段是否出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張的情況，若出現(xiàn)，則重新規(guī)劃避障和緩速下降軌跡縮短下降時(shí)間，否則不進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃方法，主要應(yīng)用于深空著陸探測(cè)器，屬于航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]深空天體軟著陸動(dòng)力下降過(guò)程一般可分為六個(gè)任務(wù)段:1)主減速段:距天體表面高度從約15km到約3km，該段主要任務(wù)是軟著陸制動(dòng)，減小著陸器的速度至預(yù)設(shè)值，高度下降至約3km。2)快速調(diào)整段:距天體表面高度從約3km到約2.4km，該段主要任務(wù)是快速銜接主減速和接近段。3)接近段:距天體表面高度從約2.4km到約100m，該段主要任務(wù)是粗避障。4)懸停段:距天體表面高度約100m，該段主要任務(wù)是對(duì)著陸區(qū)域的精障礙檢測(cè)。保持著陸器處于懸停狀態(tài)，利用三維成像敏感器對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，選擇出安全著陸點(diǎn)。5)避障段:距天體表面高度從約IOOm到約30m，該段主要任務(wù)是精避障和下降。6)緩速下降段:距天體表面高度從約30m到0m，該段主要任務(wù)是保證著陸器平穩(wěn)緩速下降到天體表面。
[0003]天體軟著陸動(dòng)力下降軌跡的設(shè)計(jì)是著陸探測(cè)器GNC (制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制)方案設(shè)計(jì)的重要方面。Luna和Surveyor系列月球著陸器分別采用了標(biāo)稱(chēng)軌跡和重力轉(zhuǎn)彎制導(dǎo)，標(biāo)稱(chēng)軌跡由地面設(shè)計(jì)確定，重力轉(zhuǎn)彎可現(xiàn)實(shí)的標(biāo)稱(chēng)軌跡也有地面設(shè)計(jì)確定；Apollo探測(cè)器在主減速段和接近段都采用了四次多項(xiàng)式制導(dǎo)，通過(guò)在地面優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)地面預(yù)設(shè)的標(biāo)稱(chēng)軌跡；美國(guó)的重返月球計(jì)劃提出在主減速段采用PEG制導(dǎo)、接近段采用多項(xiàng)式制導(dǎo)；這些著陸器的GNC方案設(shè)計(jì)中都沒(méi)有涉及動(dòng)力下降軌跡的智能在線規(guī)劃問(wèn)題。
[0004]對(duì)于軟著陸深空天體，最終的制動(dòng)減速過(guò)程都需要主發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力實(shí)現(xiàn)。主發(fā)動(dòng)機(jī)工作需要消耗大量推進(jìn)劑，著陸器質(zhì)量變化大以及推進(jìn)系統(tǒng)的不平衡排放可能引起著陸器質(zhì)心偏移較大，進(jìn)而在主發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用下會(huì)出現(xiàn)干擾力矩大于控制力矩的嚴(yán)重故障問(wèn)題，導(dǎo)致動(dòng)力下降過(guò)程姿態(tài)連續(xù)超差，無(wú)法安全軟著陸。
[0005]另外，如果主發(fā)動(dòng)機(jī)在軌出現(xiàn)實(shí)際推力遠(yuǎn)低于標(biāo)稱(chēng)值，就會(huì)致使主減速段時(shí)間變長(zhǎng)、推進(jìn)劑消耗較多，引起后續(xù)任務(wù)的推進(jìn)劑不足；接近段也可能出現(xiàn)同樣的問(wèn)題，接近段還存在由于地形等因素造成的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致后續(xù)推進(jìn)劑緊張。對(duì)于推進(jìn)劑在軌出現(xiàn)緊張，必須采取一定措施，否則也無(wú)法安全軟著陸。還有，接近段出現(xiàn)高度和速度超差問(wèn)題，也容易引發(fā)故障，導(dǎo)致無(wú)法安全軟著陸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題:本發(fā)明針對(duì)著陸器在軌出現(xiàn)質(zhì)心偏移過(guò)大、接近段出現(xiàn)高度和速度超差和推進(jìn)劑緊張等情況引起的安全軟著陸難題，提出了一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃方法，滿足了著陸器故障情況下的安全軟著陸要求。
[0007]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃方法，主要為:1)針對(duì)著陸器質(zhì)心偏移較大引起的干擾力矩過(guò)大問(wèn)題，在軌切換推力大小，根據(jù)不同狀態(tài)條件，自適應(yīng)的規(guī)劃后續(xù)動(dòng)力下降軌跡以及策略；2)在軌自主判斷推進(jìn)劑狀態(tài)，根據(jù)出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張時(shí)對(duì)應(yīng)的著陸器狀態(tài)條件，智能采用不同的下降策略及軌跡；3)根據(jù)接近段高度和速度超差的情況，在線規(guī)劃后續(xù)下降軌跡。
[0008]具體實(shí)現(xiàn)如下:
[0009]針對(duì)深空天體軟著陸動(dòng)力下降過(guò)程主減速段、快速調(diào)整段、接近段和懸停段等四個(gè)任務(wù)段，根據(jù)不同任務(wù)段出現(xiàn)的問(wèn)題，給出了智能軌跡在線規(guī)劃策略。
[0010](I)對(duì)于主減速段，判斷是否出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張或由主發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的干擾力矩大于控制力矩導(dǎo)致的主減速段姿態(tài)連續(xù)超差，如果出現(xiàn)，置標(biāo)志BKFlag=I (需要進(jìn)行在線智能軌跡規(guī)劃);如果不出現(xiàn)，置BKFlag=O (不進(jìn)行在線軌跡規(guī)劃，按原有正常模式執(zhí)行)，控后進(jìn)入快速調(diào)整段。
[0011](2)若BKFlag=I,①如果高度在4.5km以上，則主發(fā)動(dòng)機(jī)從大推力切換到中推力，3km的目標(biāo)狀態(tài)改為Ikm的目標(biāo)狀態(tài)，主減速制導(dǎo)律結(jié)構(gòu)不變，即只需更換制導(dǎo)目標(biāo)；lkm以下調(diào)用安全模式制導(dǎo)律。②如果高度小于等于4.5km，則主發(fā)動(dòng)機(jī)從大推力切換到變推力；采用設(shè)計(jì)的安全模式制導(dǎo)律，目標(biāo)狀態(tài)改為IOOm的懸停目標(biāo)狀態(tài)。對(duì)于這兩種情況，控后都直接進(jìn)入懸停段。
[0012](3)若BKFlag=O (正常進(jìn)入快速調(diào)整段)，對(duì)于快速調(diào)整段，如果出現(xiàn)高度超差，則置PFlag=I,調(diào)用安全模式制導(dǎo)律，目標(biāo)狀態(tài)改為IOOm的懸停目標(biāo)狀態(tài)(高度為100m、目標(biāo)速度為Om/s)，控后直接進(jìn)入懸停段。如果未出現(xiàn)高度超差，則置標(biāo)志PFlag=O,控后進(jìn)入接近段。
[0013](4)若BKFlag=O且PFlag=O,即正常進(jìn)入接近段。在剛進(jìn)入接近段時(shí)，如果高度超差，則重新規(guī)劃接近段制導(dǎo)目標(biāo)；如果接近段的過(guò)程中出現(xiàn)高度或速度超差的情況，則調(diào)用安全模式制導(dǎo)律，目標(biāo)狀態(tài)改為IOOm的懸停目標(biāo)狀態(tài)(高度為100m、目標(biāo)速度為Om/s)?？睾蠖歼M(jìn)入懸停段。
[0014](5)對(duì)于懸停段，通過(guò)判斷在軌推進(jìn)劑估算與后續(xù)標(biāo)稱(chēng)任務(wù)的標(biāo)稱(chēng)推進(jìn)劑之差來(lái)確定推進(jìn)劑是否緊張。如果出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張的情況，采取重新在軌規(guī)劃避障和緩速下降軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)縮短下降時(shí)間的策略；否則，采取正常下降模式，依次進(jìn)入避障段、緩速下降段，直至著陸天體表面。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016](I)本發(fā)明提出的一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃:在軌切換推力大小，根據(jù)不同狀態(tài)條件，自適應(yīng)的規(guī)劃后續(xù)動(dòng)力下降軌跡以及策略，解決了由著陸器質(zhì)心偏移較大引起的干擾力矩大于控制力矩的嚴(yán)重故障問(wèn)題；在軌自主判斷推進(jìn)劑狀態(tài)，根據(jù)出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張時(shí)對(duì)應(yīng)的著陸器狀態(tài)條件，智能采用不同的下降策略及軌跡，解決了推進(jìn)劑緊張問(wèn)題；根據(jù)接近段高度和速度超差的情況，在線規(guī)劃后續(xù)下降軌跡，解決了接近段高度和速度超差引起故障的問(wèn)題；滿足了著陸器故障情況下的安全軟著陸要求。
[0017](2)本發(fā)明屬于深空探測(cè)器的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制【技術(shù)領(lǐng)域】，非常適合深空天體探測(cè)器的高安全著陸制導(dǎo)的需要，可以應(yīng)用于著陸或附著深空天體探測(cè)器的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，也可以應(yīng)用到返回地球任務(wù)的導(dǎo)航與制導(dǎo)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃方法流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0019]如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)如下:
[0020](一)對(duì)于主減速段，判斷是否出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張或由主發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的干擾力矩大于控制力矩導(dǎo)致的主減速段姿態(tài)連續(xù)超差，如果出現(xiàn)，置標(biāo)志BKFlag=I (需要進(jìn)行在線智能軌跡規(guī)劃);如果不出現(xiàn)，置BKFlag=O (不進(jìn)行在線軌跡規(guī)劃，按原有正常模式執(zhí)行)，控后進(jìn)入快速調(diào)整段。
[0021](二)若BKFlag=I,①如果高度在4.5km以上，則主發(fā)動(dòng)機(jī)從大推力切換到中推力，3km的目標(biāo)狀態(tài)改為Ikm的目標(biāo)狀態(tài)，主減速制導(dǎo)律結(jié)構(gòu)不變，即只需更換制導(dǎo)目標(biāo)；lkm以下調(diào)用安全模式制導(dǎo)律。
[0022](1)4.5km以上的切換策略。
[0023]基于降低推進(jìn)劑消耗的考慮，對(duì)于4.5km以上大推力(如7500N)切換中推力(如5000N)，3km的目標(biāo)狀態(tài)改為Ikm的目標(biāo)狀態(tài)(高度為1km、目標(biāo)速度垂向航向與法向分別為-30m/s、0m/s和Om/s)，主減速制導(dǎo)律結(jié)構(gòu)不變，即只需更換制導(dǎo)目標(biāo)。主減速制導(dǎo)律可以米用 PEG 制導(dǎo)律(見(jiàn)文章 Space Shuttle Ascent Guidance, Navigation, and Control.The Journal of the Astronautical Science, Vol.XXVIIj N0.1, ppl-38, January-Marchj I979)，也可以米用常推力次優(yōu)制導(dǎo)(參見(jiàn)文章3-dimensional near-minnmum fuel guidancelaw of a lunar landing module.AIAA-99-3983)。
[0024]Ikm以下調(diào)用安全模式制導(dǎo)律，目標(biāo)狀態(tài)改為IOOm的懸停目標(biāo)狀態(tài)(高度為100m、目標(biāo)速度為0m/s)，轉(zhuǎn)出條件改為主減速段直接切換到懸停段(如:若(三個(gè)方向速度均小于<lm/s且高度≤101m)或(主減速制導(dǎo)時(shí)間〈0.128秒))，則:切換到懸停模式)，懸停段后續(xù)模式順序正常執(zhí)行。
[0025]安全模式制導(dǎo)律的具體實(shí)現(xiàn)為:
[0026]I)高度方向控制可采用一次線性加速度近似制導(dǎo)律，高度方向指令加速度可表達(dá)為
【權(quán)利要求】
1.一種智能動(dòng)力下降軌跡在線規(guī)劃方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下: (1)對(duì)于主減速段，判斷是否出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張或由主發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的干擾力矩大于控制力矩導(dǎo)致的主減速段姿態(tài)連續(xù)超差，如果出現(xiàn)，置標(biāo)志BKFlag=I,需要進(jìn)行在線智能軌跡規(guī)劃；如果不出現(xiàn)，置BKFlag=O,不進(jìn)行在線軌跡規(guī)劃，按原有正常模式執(zhí)行，控后進(jìn)入快速調(diào)整段； (2)若BKFlag=I,①如果高度在4.5km以上，則主發(fā)動(dòng)機(jī)從大推力切換到中推力，3km的目標(biāo)狀態(tài)改為Ikm的目標(biāo)狀態(tài)，主減速制導(dǎo)律結(jié)構(gòu)不變，即只需更換制導(dǎo)目標(biāo)；lkm以下調(diào)用安全模式制導(dǎo)律；②如果高度小于等于4.5km，則主發(fā)動(dòng)機(jī)從大推力切換到變推力；采用設(shè)計(jì)的安全模式制導(dǎo)律，目標(biāo)狀態(tài)改為IOOm的懸停目標(biāo)狀態(tài)；對(duì)于這兩種情況，控后都直接進(jìn)入懸停段； (3)若BKFlag=O,正常進(jìn)入快速調(diào)整段，對(duì)于快速調(diào)整段，如果出現(xiàn)高度超差，則置PFlag=I,調(diào)用安全模式制導(dǎo)律，目標(biāo)狀態(tài)改為IOOm的懸停目標(biāo)狀態(tài)，控后直接進(jìn)入懸停段；如果未出現(xiàn)高度超差，則置標(biāo)志PFlag=O,控后進(jìn)入接近段； (4)若BKFlag=O且PFlag=O,即正常進(jìn)入接近段。在剛進(jìn)入接近段時(shí)，如果高度超差，則重新規(guī)劃接近段制導(dǎo)目標(biāo)；如果接近段的過(guò)程中出現(xiàn)高度或速度超差的情況，則調(diào)用安全模式制導(dǎo)律，目標(biāo)狀態(tài)改為IOOm的懸停目標(biāo)狀態(tài)，控后都進(jìn)入懸停段； (5)對(duì)于懸停段，通過(guò)判斷在軌推進(jìn)劑估算與后續(xù)標(biāo)稱(chēng)任務(wù)的標(biāo)稱(chēng)推進(jìn)劑之差來(lái)確定推進(jìn)劑是否緊張；如果出現(xiàn)推進(jìn)劑緊張的情況，采取重新在軌規(guī)劃避障和緩速下降軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)縮短下降時(shí)間的策略；否則，采取正常下降模式，依次進(jìn)入避障段、緩速下降段，直至著陸天體表面。
【文檔編號(hào)】B64G1/22GK103662090SQ201310684443
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】張洪華, 黃翔宇, 關(guān)軼峰, 李驥, 梁俊, 程銘, 趙宇, 于萍, 何健, 王大軼, 張曉文 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所