一種火星大氣進入段側向預測校正制導方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種側向預測校正制導方法，尤其設及一種火星大氣進入段側向預測 校正制導方法，屬于深空探測技術領域。
【背景技術】
[0002] 在未來火星著陸探測任務對實現火星表面的著陸精度提出了更高的要求。而火星 大氣進入段是整個火星進入、下降與著陸過程中歷時最久，環(huán)境最惡劣的一個階段，保證進 入段任務的成功實施，是對于保證最終著陸的精度起著至關重要的作用。
[0003] 到目前為止，共有7顆火星探測器成功著陸火星表面。最近一次著陸探測任務"火 星科學實驗室/好奇號"任務中，首次在進入段采用了制導律，并在預定的開傘區(qū)域內實現 安全開傘。運表明隨著人類火星探測的深入開展，在未來火星著陸探測任務中，尤其是諸如 載人火星探測、采樣返回等任務對著陸精度要求的提高，采用相應的進入制導律成為一種 趨勢。在火星大氣進入段實施相應的制導方法，是保證進入段末端精度的重要手段。
[0004] 目前所研究的火星大氣進入段制導方法主要可分為標稱軌跡法和預測校正制導 法。其中，標稱軌跡法通過離線或在線規(guī)劃出一條能夠滿足著陸精度的標稱軌跡，并由相應 的軌跡跟蹤律來跟蹤該標稱軌跡，W消除進入點偏差W及進入過程中各種干擾或不確定因 素造成的偏差，從而保證開傘的位置精度。而預測校正制導法則是根據當前狀態(tài)，在線預測 落點偏差，根據落點偏差產生相應的制導指令，W修正各種因素造成的落點偏差，進而保證 開傘精度。當前預測校正制導方法主要針對縱向航程設計相應的預測校正制導律，而側向 運動是通過相應的航向角誤差走廊或者側向航程誤差走廊加W約束，當航向角或者側向航 程超出該走廊時，傾側角產生反轉，進而保證側向運動的末端位置精度。而未來火星探測任 務對進入軌跡的側向運動部分提出了新的要求，例如傾側角反轉過于頻繁會導致燃料的過 多消耗，進而增加任務失敗的幾率；未來火星大氣進入段無線電信標的布置，探測器飛越特 定區(qū)域能夠顯著提高導航系統(tǒng)的可觀測度，進而提高導航精度。對于運些需求，傳統(tǒng)的通過 規(guī)劃誤差走廊來約束側向運動的方式缺少在規(guī)劃側向運動方面的靈活性。 陽〇化]為了滿足未來火星探測任務對進入段側向運動的需求，有必要針對火星大氣進入 段探測器的側向運動，設計一種相應的預測校正制導律，W保證開傘點位置精度的同時，能 夠根據任務需要對進入軌跡的側向運動進行靈活規(guī)劃。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明公開的一種火星大氣進入段側向預測校正制導方法所解決的技術問題是， 實現在保證開傘點位置精度的同時，能夠根據任務需要對進入軌跡的側向運動進行靈活規(guī) 劃。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現的：
[0008] 本發(fā)明公開的一種火星大氣進入段側向預測校正制導方法，包括如下步驟：
[0009] 在已有縱向預測校正制導方法的基礎上，將預測校正方法引入探測器側向運動的 制導律設計中。在每個制導周期內：首先，確定著陸探測任務所需的探測器的側向運動的約 束條件，W確定探測器在進入段所需傾側角反轉的次數；然后，利用數值方法求解側向運動 的約束條件，確定探測器傾側角反轉時刻的能量，在探測器的能量超過傾側角反轉時刻的 能量時，進行傾側角反轉。在達到該約束條件后，開始進行下一次傾側角反轉能量的確定； 最后，結合傾側角反轉時刻的能量W及縱向制導律確定當前制導周期最終的制導輸出。進 而實現在保證開傘點位置精度的同時，能夠根據任務需要對進入軌跡的側向運動進行靈活 規(guī)劃。
[0010] 本發(fā)明公開的一種火星大氣進入段側向預測校正制導方法，包括如下步驟：
[0011] 步驟1、確定縱向運動制導指令I0I。
[0012] 利用探測器動力學模型進行數值積分至滿足開傘條件，得到開傘時刻的開傘剩余 縱程與目標位置的開傘精度偏差Sf。所述的開傘條件指探測器動壓在區(qū)間內和 探測器馬赫數在區(qū)間[Mamm，MamJ內。具體實現方法為：
[0013] 考慮火星自轉影響的探測器對無量綱時間 的S自由度無量綱進入 動力學模型為
[0015] 其中，S為剩余縱程，表征從探測器當前位置到目標開傘位置的火星表面大圓弧的 距離，r為火星質屯、到探測器質屯、的距離，無量綱參數為火星半徑R。，V探測器相對于火星 的速度，無量綱參數為V,.二其中g。為火星表面重力加速度，丫為航跡角，0為傾 側角，g為當地重力加速度，無量綱參數為g。。D和L分別阻力加速度和升力加速度
[0017]其無量綱參數均為g。，〔。和C^分別為阻力系數和升力系數，S為探測器參考面積，m為探測器質量，q=pv2/2為動壓，P=m/SCD為探測器彈道系數，L/D為探測器升阻比。 火星大氣密度采用指數模型
[0019] 其中P。為參考密度，h。為參考高度，hg為大氣密度標高。
[0020] 定義進入段飛行器的比能量 CN 1051巧512 A 說明書 3/9頁
[0022] 定義火星大氣進入段的側向航程
[0023] X=R。sin1(sinStDg。sinA1]〇 (5)
[0024] 其中，A 為航向角偏差，Stw。為剩余航程，由式（6)給出
[00巧]St〇g〇= R。cos1[sintsin+COS tcoscos(目t_目）] 巧）
[0026] 縱向運動的動力學由公式（7)進行描述
陽02引給出傾側角剖面參數化形式
[0030] 其中，。巧開傘時刻的傾側角；e，e。和e汾別為當前時刻、初始時刻W及開傘時 刻的能量。0?！旦枮檫M入時刻的傾側角，通過數值求解非線性方程（9)求取曰。。
[0032] 再利用式（8)產生每一步的縱向制導指令I0I，從而使探測器滿足開傘點的位置 精度。
[0033] 步驟2、確定側向運動的約束條件及相應傾側角反轉次數ifw。
[0034] 側向運動的約束條件為方程組（10) 陽 03 引 x(eta"e"v) =x* (10)
[0036] 其中，向量x%對應能量為向量Gt。擁，側向航程的取值；向量Gfw為傾側角反轉 時刻的能量向量，所述的向量是側向預測校正制導的待求參量。方程組（10)的分量形 式為
陽03引傾側角反轉次數為irev=dim(erJ=dim(X)時，方程組（10)有唯一解。側向運 動的相應約束條件由方程組（10)給定。
[0039] 步驟3、求解約束條件求得傾側角反轉時刻的能量e_。
[0040] 在求解方程組（10)的過程中，方程組（10)各個分量方程式（11)相互獨立，能夠 分別獨立求解。方程組（10)構成關于能量向量的非線性方程。通過采用數值方法對 約束條件方程組（10)進行迭代求解，求得傾側角反轉時刻的能量
[0041] 步驟4、求解出側向制導指令Sign(0k(e))。
[0042] 在探測器進入過程中，每當能量e依次超過制導律所求解出的能量向量勺各 個分量時，傾側角0便反轉一次。數學表達式為式（12)
|；〇〇44]其中，si即（00(e)) =-si即（X0)。
[0045] 步驟5、求解出第k次制導的制導指令輸出。
[0046] 第k次制導的制導指令輸出由第k次縱向制導指令I0WI及第k次側向制導指 令sign(0W)得到
[0048] 步驟6、重復步驟1-5實時更新制導指令，直至探測器的動壓和馬赫數滿足相應的 開傘條件，火星大氣進入段制導過程結束。 W例有益效果：
[0050] 本發(fā)明公開的一種火星大氣進入段側向預測校正制導方法，首次將預測校正的方 法引入火星大氣進入段側向運動的制導律設計中，該制導方法根據任務需要，確定側向運 動所需滿足的約束條件，進而確定傾側角反轉次數，實現在保證開傘點位置精度的同時，能 夠根據任務需要對進入軌跡的側向運動進行靈活規(guī)劃。
【附圖說明】
[0051] 圖1為側向預測校正制導指令生成流程圖；
[0052] 圖2為傾側角反轉示意；
[0053] 圖3給出了基礎算例和實施例1的軌跡