一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法技术

本发明专利技术涉及一种月面软着陆轨迹确定方法，属于着陆器着陆轨迹设计技术领域。制动段结束时，高度h1、垂直速度v1、水平速度为0m/s，着陆器姿态为垂直向下；接近段，引入测距测速敏感器数据进行导航修正，在高度h2时对月面成像，采用四次多项式制导律，粗避障至安全着陆点上方；下降段，着陆器悬停在高度h3处对月面成像，采用相平面制导律精避障至安全着陆点上方高度h4，着陆器以速度v2到高度h5处关闭发动机。

A Method for Determining the Soft Landing Trajectory of the Lunar Surface on Rugged Terrain

The invention relates to a method for determining the lunar soft landing trajectory, belonging to the technical field of lander landing trajectory design. At the end of braking section, altitude h1, vertical velocity V1 and horizontal velocity are 0 m/s, and lander attitude is vertical downward; at approach section, range and velocity sensor data are introduced for navigation correction. At altitude h2, the lunar surface is imaged, using quadratic polynomial guidance law, rough obstacle avoidance to the safe landing point; at descent section, the lander hovers at altitude H3 to imagine the lunar surface, using phase plane system. The guidance law evades the obstacle to the height H4 above the safe landing point, and the lander shuts down the engine at the speed V2 to the height h5.

【技术实现步骤摘要】
一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法
本专利技术涉及一种月面软着陆轨迹确定方法，尤其涉及崎岖地形的月面软着陆轨迹确定方法，属于着陆器着陆轨迹设计

技术介绍
着陆器月面软着陆轨迹主要分为三个阶段：制动段，主要目的是消减较大的初始水平速度；接近段，主要目的是接近月面并粗避障；下降段，主要目的是精避障并软着陆月面。美国的Apollo探测器和中国的CE-3着陆器，在制动段的过程中引入测距修正，接近段为倾斜下降轨迹并进行障碍规避。如果月面是崎岖地形，上述着陆轨迹在测距引入导航修正后，导航高度剧烈变化，基于导航的制导控制状态不稳定，危机着陆安全。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对崎岖地形月面软着陆，提出一种软着陆轨迹确定方法，避免了着陆器水平运动而引入测距修正时，月面崎岖地形对导航制导控制的影响，提高了着陆的安全性。本专利技术的技术解决方案是：一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，包括如下步骤：(1)确定月面软着陆制动段，着陆器处于月面软着陆制动段结束时，着陆器水平速度为零，着陆器姿态垂直向下；(2)确定月面软着陆接近段；(3)确定月面软着陆下降段；(4)根据得到的制动段、接近段以及下降段，得到崎岖地形月面软着陆轨迹。着陆器处于月面软着陆制动段时，着陆器的导航计算采用IMU纯导航外推方式进行。月面软着陆制动段结束时的高度为h1，垂直速度为v1，其中：高度h1和垂直速度v1，根据IMU导航高度误差和燃料消耗来确定：2·dh<h1<0.5·(Isp·dm1/m1)2v1＝sqrt(2·h1)其中：dh为IMU导航高度误差；Isp为发动机比冲；dm1为接近段燃料消耗质量，dm1＝m1-m2。月面软着陆过程，着陆器初始质量为m0，燃料消耗质量dm＝m0/2，制动段、接近段和下降段燃料消耗的比例为24：3：1，制动段结束或接近段开始时质量m1＝m0-24/28·dm，接近段结束或下降段开始时质量m2＝m0-27/28·dm，下降段结束时质量m3＝m0-dm。着陆器处于月面软着陆接近段时，着陆器垂直下降并进行粗避障。着陆器处于月面软着陆接近段时，着陆器的导航计算采用测距测速导航修正方式进行。着陆器处于月面软着陆接近段，在高度h2时，通过粗避障相机对月面成像；采用四次多项式制导律，粗避障至安全着陆点上方；其中：成像高度h2：3/2·L1/tan(a1)<h2<D1·n1/tan(a1)/2其中，L1为粗避障最大距离；a1为粗避障相机视场半锥角；D1为粗避障分辨率；n1为粗避障相机的像素。着陆器处于月面软着陆下降段时，通过精避障相机对月面成像，完成精避障并软着陆月面。着陆器处于月面软着陆下降段时，着陆器的导航计算采用测距测速导航修正方式进行。着陆器处于月面软着陆下降段时，着陆器悬停在高度h3处对月面成像，成像后下降过程中采用相平面制导律，精避障至安全着陆点上方高度h4，着陆器以速度v2到高度h5处关闭发动机；其中，成像高度h3、高度h4、速度v2和高度h5，通过如下方式确定：3/2·L2/tan(a2)<h3<D2·n2/tan(a2)/2h4＝max(hs,hd)m3·gM·h4/Isp/dm2<v2<vL-gMh5＝v2+gM/2其中，L2为精避障最大距离；a2为精避障相机视场半锥角；D2为精避障分辨率；n2为精避障相机的像素；函数max()为取最大值函数；hs为测距测速敏感器工作最小高度；hd为发动机羽流激励月尘高度；gM为月球引力加速度；dm2为高度h4以下燃料消耗质量，取值(m2-m3)/3；vL为着陆缓冲机构抗冲击最大速度。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术月面软着陆轨迹确定方法解决了崎岖地形月面软着陆问题；该方法在制动段消除水平速度，着陆器姿态垂直向下，转入接近段后开始测距修正，避免了着陆器水平运动而引入测距修正时，月面崎岖地形对导航制导控制的影响(导航高度剧烈变化，基于导航的制导控制状态不稳定)，提高了着陆的安全性。附图说明图1为本专利技术方法流程图。具体实施方式如图1所示，本专利技术提出的一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，包括如下步骤：(1)确定月面软着陆制动段，月面软着陆制动段，消除水平速度，该阶段结束时着陆器具有一定的高度和垂直速度，水平速度为零，着陆器姿态垂直向下；制动段着陆器的导航计算采用IMU纯导航外推方式，针对地形起伏剧烈变化的月面，避免了测距修正方式对导航制导控制的影响，提高了着陆的安全性；月面软着陆过程，初始质量m0，一般燃料消耗质量dm＝m0/2，制动段、接近段和下降段燃料消耗的比例约24：3：1，由此可以计算各阶段的质量：制动段结束/接近段开始时质量m1＝m0-24/28·dm，接近段结束/下降段开始时质量m2＝m0-27/28·dm，下降段结束时质量m3＝m0-dm。着陆器在制动段结束时的状态，具有高度h1和垂直速度v1，水平速度为0m/s，着陆器姿态为垂直向下。其中：高度h1和垂直速度v1，根据IMU导航高度误差和燃料消耗来确定：2·dh<h1<0.5·(Isp·dm1/m1)2v1＝sqrt(2·h1)其中：dh为IMU导航高度误差；Isp为发动机比冲；dm1为接近段燃料消耗质量，dm1＝m1-m2。(2)确定月面软着陆接近段；着陆器垂直下降，引入测距测速修正，完成粗避障，一定高度后转入下降段；接近段进行测距测速导航修正；从接近段开始，引入测距测速敏感器数据进行导航修正，在高度h2时，通过粗避障相机对月面成像；采用四次多项式制导律，粗避障至安全着陆点上方；其中：成像高度h2，根据粗避障相机特性以及粗避障能力确定：3/2·L1/tan(a1)<h2<D1·n1/tan(a1)/2其中，L1为粗避障最大距离；a1为粗避障相机视场半锥角；D1为粗避障分辨率；n1为粗避障相机的像素。(3)确定月面软着陆下降段；对月面成像，完成精避障并软着陆月面；下降段进行测距测速导航修正；着陆器悬停在高度h3处，精避障相机对月面成像，成像后下降过程中采用相平面制导律，精避障至安全着陆点上方高度h4，着陆器以速度v2到高度h5处关闭发动机。其中，成像高度h3，根据精避障相机特性以及精避障能力确定；高度h4、速度v2和高度h5，根据测距测速敏感器工作范围、发动机羽流激励月尘的情况，以及着陆缓冲机构抗冲击能力来确定：3/2·L2/tan(a2)<h3<D2·n2/tan(a2)/2h4＝max(hs,hd)m3·gM·h4/Isp/dm2<v2<vL-gMh5＝v2+gM/2其中，L2为精避障最大距离；a2为精避障相机视场半锥角；D2为精避障分辨率；n2为精避障相机的像素；函数max()为取最大值函数；hs为测距测速敏感器工作最小高度；hd为发动机羽流激励月尘高度；gM为月球引力加速度；dm2为高度h4以下燃料消耗质量，一般取值(m2-m3)/3；vL为着陆缓冲机构抗冲击最大速度。根据得到的制动段、接近段以及下降段，得到崎岖地形月面软着陆轨迹。制动段结束时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，其特征在于包括如下步骤：(1)确定月面软着陆制动段，月面软着陆制动段结束时，着陆器水平速度为零，着陆器姿态垂直向下；(2)确定月面软着陆接近段；(3)确定月面软着陆下降段；(4)根据得到的制动段、接近段以及下降段，得到崎岖地形月面软着陆轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，其特征在于包括如下步骤：(1)确定月面软着陆制动段，月面软着陆制动段结束时，着陆器水平速度为零，着陆器姿态垂直向下；(2)确定月面软着陆接近段；(3)确定月面软着陆下降段；(4)根据得到的制动段、接近段以及下降段，得到崎岖地形月面软着陆轨迹。2.根据权利要求1所述的一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，其特征在于：着陆器处于月面软着陆制动段时，着陆器的导航计算采用IMU纯导航外推方式进行。3.根据权利要求1或2所述的一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，其特征在于：月面软着陆制动段结束时的高度为h1，垂直速度为v1，其中：高度h1和垂直速度v1，根据IMU导航高度误差和燃料消耗来确定：2·dh<h1<0.5·(Isp·dm1/m1)2v1＝sqrt(2·h1)其中：dh为IMU导航高度误差；Isp为发动机比冲；dm1为接近段燃料消耗质量，dm1＝m1-m2。4.根据权利要求3所述的一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，其特征在于：月面软着陆过程，着陆器初始质量为m0，燃料消耗质量dm＝m0/2，制动段、接近段和下降段燃料消耗的比例为24：3：1，制动段结束或接近段开始时质量m1＝m0-24/28·dm，接近段结束或下降段开始时质量m2＝m0-27/28·dm，下降段结束时质量m3＝m0-dm。5.根据权利要求1所述的一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，其特征在于：着陆器处于月面软着陆接近段时，着陆器垂直下降并进行粗避障。6.根据权利要求5所述的一种崎岖地形月面软着陆轨迹确定方法，其特征在于：着陆器处于月面软着陆接近段时，着陆器的导航计算采用测距测速导航修正方式进行。7.根据权利要求1、5或6所述的一种崎岖地形月面软着...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪华，关轶峰，李骥，程铭，王志文，王华强，于洁，杨巍，张晓文，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11