一種基于路徑點規(guī)劃的火星大氣進入段預測制導方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及火星大氣進入段預測制導方法，尤其涉及一種基于路徑點規(guī)劃的火星 大氣進入段預測制導方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在火星著陸探測任務(wù)中，不僅要滿足著陸的精確性，還要保證著陸安全性。在火星 進入、下降與著陸過程中，火星大氣進入段是歷時最久，探測器熱防護系統(tǒng)工作條件最惡劣 的一個階段，保障其安全實施尤為重要。該階段中，由于受到結(jié)構(gòu)強度以及熱防護系統(tǒng)的制 約，進入段制導律的設(shè)計需要在保證著陸精度的同時，滿足過載、熱流等路徑約束，從而保 證任務(wù)的安全實施。
[0003] 火星大氣進入段現(xiàn)有制導方法主要分為標稱軌跡法和預測制導法。其中，標稱軌 跡法可以通過設(shè)計標稱軌跡來滿足路徑約束，進而保證進入段的安全性。預測制導法根據(jù) 所預測的開傘位置偏差產(chǎn)生制導指令，從而對偏差加以校正。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)較高的開傘 位置精度，并且對初始再入條件不敏感，在火星進入制導方法研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有 火星大氣進入段預測制導的相關(guān)文獻對于保證進入段末端位置精度這一問題進行了較為 充分的研究，而對滿足路徑約束這一問題需要做進一步研究。
[0004] 為了保證火星大氣進入段飛行的安全性，有必要針對預測制導法滿足路徑約束這 一問題，設(shè)計一種能夠同時保證著陸精度和相關(guān)約束的制導律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明公開的一種基于路徑點規(guī)劃的火星大氣進入段預測制導方法，要解決的技 術(shù)問題是使火星大氣進入段預測制導方法在保障著陸精度的同時，能夠在進入過程中滿足 路徑約束，從而保證探測器及乘員安全。
[0006] 本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明公開的一種基于路徑點規(guī)劃的火星大氣進入段預測制導方法，在已有火星 大氣進入段預測制導方法的基礎(chǔ)上，引入路徑點規(guī)劃方法，從而使得該制導方法能夠同時 滿足著陸精度與路徑約束，從而保證探測器及乘員安全。
[0008] 本發(fā)明公開的一種基于路徑點規(guī)劃的火星大氣進入段預測制導方法，包括如下步 驟：
[0009] 步驟1、建立探測器動力學模型。具體方法為，
[0010] 考慮火星自轉(zhuǎn)影響的探測器對無量綱時間r=W的三自由度無量綱進入 動力學模型為，
[0011]
[0012] 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(zhì)心到探測器質(zhì)心的距離，無量綱參數(shù)為火星半徑R。，v探測器相對于火星 的速度，無量綱參數(shù)為％ = ，其中g(shù)。為火星表面重力加速度，y為航跡角，〇為傾 側(cè)角，g為當?shù)刂亓铀俣?，其無量綱參數(shù)為g。。D和L分別阻力加速度和升力加速度：
[0013]
[0014] 其無量綱參數(shù)均為g。，CD和C^分別為阻力系數(shù)和升力系數(shù)，S為探測器參考面積， m為探測器質(zhì)量，q=pv2/2為動壓，0 =m/SCD為探測器彈道系數(shù)，L/D為探測器升阻比。 火星大氣密度P采用指數(shù)模型如公式（3)，
[0015；
[0016] 其中P。為參考密度，h。為參考高度，hs為大氣密度標高。
[0017] 步驟2 :引入路徑點規(guī)劃方法，所述的路徑點規(guī)劃方法是指通過規(guī)劃路徑點（e， sinY)，使預測制導生成的進入軌跡能夠滿足過載約束條件，進入段所需要滿足的過載約 束如下：
[0018]
[0019] 其中，&為地球表面重力加速度，式（4)可以表達為下述形式式（5)，
[0020]
[0021]
[0022] 步驟2. 1 :根據(jù)路徑約束，確定路徑點（e，sin丫）所需滿足的物理條件。
[0023] 為保證在進入段中飛行器滿足路徑約束，則在規(guī)劃的路徑點處需滿足，
[0024]
[0025]或
[0037] 式（12)給出了軌跡與過載約束邊界
曲線曲率相同時的數(shù)學關(guān)系，但要使過載約 束得到滿足，還需保證在曲率相同時，軌跡不能位于過載邊界下方。
[0038] 在利用式（12)進行路徑點規(guī)劃時，必須首先確定能量e與航跡角正弦siny之間 的關(guān)系，所述的能量e與航跡角正弦siny之間的關(guān)系通過步驟2. 2加以確定。
[0039] 步驟2. 2 :建立路徑點（e，siny)所需滿足的能量e與航跡角正弦sinY的數(shù)學 關(guān)系。
[0040] 所述的能量e與航跡角正弦siny的數(shù)學關(guān)系根據(jù)工程需要確定，可以為公式 (13)或二次曲線關(guān)系。
[0041 ]
[0042] 其中，（e。，sin y。）和（ef, sin yf)為sin y-e空間（航跡角正弦-能量空間）內(nèi) 初始和末端點，（epsinYi)和（e2，Siny2)為路徑規(guī)劃算法需要確定的剖面控制點。為了 保證在轉(zhuǎn)折點處可導，在轉(zhuǎn)折點處采用哈密爾頓插值算法。
[0043] 由于在進入過程中，需要滿足末端開傘位置約束式（14)
[0044] s (ef) = 0 (14)
[0045] 因此，sin 丫-e剖面（航跡角正弦-能量剖面）需有單一可變量。為此，令
[0046]
[0047] 其中Ay為常數(shù)，歹為路徑規(guī)劃算法需要確定的變量。
[0048] 步驟2. 3 :聯(lián)立式（12)與（13)，即可求得路徑點（e，sin Y )。
[0049]步驟3 :求取制導指令〇^。
[0050] 在確定sin y -e剖面（航跡角正弦-能量剖面）后，制導指令〇由動力學方 程⑴反解得到，
[0051]
[0052] 其中，參考航跡角的導數(shù)由下述關(guān)系式（17)確定，
[0053]
[0054] 求得〇 即為要求取的制導指令。
[0055] 步驟4 :每個制導周期重復步驟2、3,直至滿足開傘條件。
[0056] 有益效果：
[0057] 本發(fā)明公開的一種基于路徑點規(guī)劃的火星大氣進入段預測制導方法，首次將路徑 點規(guī)劃引入預測制導中，以保證進入過程中飛行器始終滿足路徑約束，從而保證飛行器及 乘員安全。
【附圖說明】
[0058] 圖1為基于路徑點規(guī)劃的預測制導指令生成流程圖。
[0059] 圖2為火星大氣進入段r-v空間（火心距-速度空間）內(nèi)路徑約束條件下的可行 域。
[0060] 圖3給出了采用路徑點規(guī)劃的預測制導方法在sin y -e空間（航跡角正弦-能量 空間）上的軌跡。
【具體實施方式】
[0061] 為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和實例對
【發(fā)明內(nèi)容】
做進一步 說明。
[0062] 實施例1 :
[0063] 本實施例公開的一種基于路徑點規(guī)劃的火星大氣進入段預測制導方法，包括如下 步驟：
[0064] 步驟1 :建立探測器動力學模型。具體方法為，
[0065] 考慮火星自轉(zhuǎn)影響的探測器對無量綱時間r =t/^Ri)/g,)的三自由度無量綱進入 動力學模型為：
[0066]
[0067] 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(zhì)心到探測器質(zhì)心的距離，無量綱參數(shù)為火星半徑R。，v探測器相對于火星 的速度，無量綱參數(shù)為，其中g(shù)。為火星表面重力加速度，y為航跡角，。為傾 側(cè)角，g為當?shù)刂亓铀俣?，其無量綱參數(shù)為g。。D和L分別阻力加速度和升力加速度：
[0068]
[0069] 其無量綱參數(shù)均為g。，CD和C^分別為阻力系數(shù)和升力系數(shù)，S為探測器參考面積， m為探測器質(zhì)量，q=pv2/2為動壓，0 =m/SCD為探測器彈道系數(shù)，L/D為探測器升阻比。 火星大氣密度P采用指數(shù)模型如公式（20)，
[0070]
[0071] 其中PQ= 2X10 4kg/m3為參考密度，hQ= 40000m為參考高