一种着陆点在线选取的行星安全着陆制导方法技术

本发明专利技术公开的一种着陆点在线选取的行星安全着陆制导方法，涉及行星安全着陆制导方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术包括如下步骤：步骤1：在得到机动能力边界后，将机动能力覆盖的区域与敏感器视野取交集，将此交集范围作为安全着陆点选取范围；步骤2：在线实时获取地形安全性、着陆速度以及燃耗大小信息，利用综合考虑地形安全性、着陆速度以及燃耗大小的安全着陆点选取指标选择安全着陆点；步骤3：通过在线滑模制导方法将探测器转移至新着陆点。本发明专利技术能够有效解决着陆过程中的外界干扰及未建模误差，有效避开危险区域，以很小的着陆速度及较少的燃耗着陆在安全的地区，提高行星着陆任务的安全性与可靠性，为行星着陆任务提供技术支持和参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种行星安全着陆制导方法，尤其涉及一种着陆点在线选取的行星安 全着陆制导方法，属于深空探测

技术介绍
由于地面能够获取的行星表面信息精度有限，较小尺寸的障碍往往在距离行星表 面较近时才能准确获得，并且在着陆过程中由于导航误差、模型不确定性等因素，探测器的 实际状态可能与标称状态出现较大的偏离，从而导致探测器无法精确到达预定着陆点或者 出现预定着陆点周围地形复杂不利于着陆等情况。传统的障碍检测与规避方法着重于对地 形障碍的分析，忽略了着陆过程对着陆任务安全性的影响；在选取着陆点的方法上，则缺乏 对选取范围以及选取指标表示方法的分析与讨论；而在制导律的设计上，还应着重考虑误 差及干扰对制导方法鲁棒性的需求。为了解决这些问题，需要一种着陆点在线选取的行星 安全着陆制导方法，既考虑探测器着陆过程中的安全性，又能规避当前的地形障碍，并通过 具有一定鲁棒性的实时在线制导方法，将探测器从当前位置转移至新的着陆点，从而提高 着陆任务的安全性。
技术实现思路
本专利技术公开的，要解决的技术问题 是提供，将综合考虑多种因素的行星安全着 陆点在线选取方法与鲁棒性强的滑模制导方法结合，能够有效解决着陆过程中的外界干扰 及未建模误差，使探测器能够有效避开危险区域，以很小的着陆速度及较少的燃耗着陆在 安全的地区，提高行星着陆任务的安全性与可靠性，为行星着陆任务提供技术支持和参考。 其中，在行星安全着陆点选取过程中所考虑的因素包括相机视场、探测器自身机动能力，以 及影响安全着陆的因素，如地形、着陆速度、燃耗等。 本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术公开的，结合了行星安全着 陆点在线选取方法与滑模制导方法的优点，通过综合比较可选范围内的地形情况及着陆性 能，在线对着陆点进行重新选择并重新规划运动路线。能够在避开障碍的同时，确保着陆速 度及燃耗均取得较为理想的结果，并克服误差及外界干扰，采用鲁棒性较好的制导方法将 探测器转移至新的着陆点，从而对探测任务设计以及探测对象的选择具有指导意义，为未 来行星探测提供了技术支持与参考。 本专利技术公开的，在下降过程中，综 合考虑敏感器视场与探测器机动能力确定着陆点选取范围，并对地形和着陆性能进行评 估，实时选取安全着陆点，最后通过在线滑模制导将探测器转移至目标点。 本专利技术公开的，包括如下步骤： 步骤1:确定安全着陆点选取范围。在得到机动能力边界后，将机动能力覆盖的区 域与敏感器视野取交集，将此交集范围作为安全着陆点选取范围，用于步骤2的着陆点选 择。 安全着陆点的选取范围由敏感器视野范围与探测器机动能力共同决定。此处，敏 感器主要为相机，探测器的机动能力由燃耗椭圆来衡量。 为获得高像素分辨率图像且使得图像重叠区域较多，用于行星探测的光学相机视 场角一般介于20到50度之间。当相机视角为45度时，图像分辨率和图像重叠综合效果最 好。相机的视野范围受探测器姿态与高度的影响，考虑到探测器在下降段姿态变化幅度较 小，仅将拍照高度作为影响视野范围的因素，高度越高，视野范围越宽广，所能进行观测的 地区也就越多。 机动能力指的是探测器在耗尽所有携带燃料时所能飞到的最远距离。探测器在下 降段的燃耗主要来源于大功率推力发动机。在动力下降段开始之前，能够通过状态预测、燃 料质量等计算出探测器360度范围内的机动能力。具体来说，探测器的机动范围在以下燃 耗椭圆内 其半长轴a与半短轴b为 在上式中，AV指的是在燃耗允许范围内能改变的最大速度增量，E指的是探测器 的能量，m是探测器的质量，△t为剩余着陆时间，vH为水平速度。 受初始位置r。、初始速度V。以及各种约束的影响，所述的各种约束指决定相机视 野及机动能力范围的约束，包括相机视场角Θ、最大速度增量AV、探测器能量E、探测器质 量m以及着陆时间At，相机视野可能完全包含于机动范围内，也可能与机动范围相交，即 有一部分相机视野区域在机动能力范围外，机动能力范围外的区域超出了探测器的机动能 力，因此不适宜作为最终的着陆区而应该被舍弃。在计算得到机动能力边界后，还需将机 动能力覆盖的区域与相机视野取交集，将此交集范围作为安全着陆点选取范围，用于步骤2 的着陆点选择。 步骤2:在线实时获取地形安全性、着陆速度以及燃耗大小信息，利用综合考虑地 形安全性、着陆速度以及燃耗大小的公式（3)选择安全着陆点。 其中，Tji= 1，2, 3)为各项的权重，决定公式（3)中每部分对结果的影响大小， 经过归一化处理，每部分的取值均在。 所述的安全着陆点选取指标LSSI选取方法为： 为了保证着陆的安全性，首先需要考虑的是地形的安全性。地形的安全性包括两 个方面：着陆区内的障碍物尺寸必须要在探测器可容忍范围之内；着陆区必须足够大以满 足探测器的最大着陆偏差。鉴于此，在得到地形信息后，首先要对可见范围内的障碍进行识 另IJ，将对探测器构成威胁的区域所在的像素点标记为危险像素点，其余标记为安全像素点， 确定每个安全像素点的安全半径R，再通过导航误差、执行误差和外界干扰估算出着陆偏差 rf，采用公式（4)得到地形安全性评估指标 给定着陆偏差rf，通过选取合适的参数c，地形安全性评估指标1,能够保证几乎所 有安全半径R小于着陆偏差rf的区域取1，大于着陆偏差rf的区域取0。取1的区域意味 着在着陆椭圆内有障碍存在，取0的区域则意味着整个着陆椭圆内都是安全的，从而将可 用于安全着陆的区域与危险区域区分开。当c较大时，整个指标的取值90%以上都是0或 1。当安全半径R与着陆偏差rf大小相近时，地形安全性评估指标11会出现剧烈的变化，表 明此时在着陆椭圆的边界处有障碍存在。 在确保了地形安全后，还需要考虑探测器的着陆速度vf。着陆速度在竖直方向的 分量过大会对探测器造成致命的伤害，而其在水平方向的两个分量则有可能造成探测器侧 翻或倾倒，此处着重考虑竖直方向分量vfz。对于着陆速度vfz的估计同样需要加入导航误 差、执行误差与外界干扰。火星探测器所能容忍的最大冲击速度一般为3m/s，实际着陆速 度vfz-旦超过最大冲击速度，则可能造成探测器自身结构以及内部仪器的损毁，因此在评 估过程中需要选取着陆速度vfz尽可能小的区域。 除此之外，还应考虑着陆过程中的燃耗情况。由于探测器能够携带的燃料有限，为 了保证着陆任务的安全完成，应尽可能选取燃耗较小的地方着陆。整个动力下降段的燃耗 用燃料质量比PMF表征 (力 综合考虑地形安全性、着陆速度以及燃耗，得到安全着陆点选取指标LSSI: 其中，τΑ= 1，2, 3)为各项的权重，决定公式（6)中每部分对结果的影响大小， 经过归一化处理，每部分的取值均在。 优选公式当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种着陆点在线选取的行星安全着陆制导方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：确定安全着陆点选取范围；在得到机动能力边界后，将机动能力覆盖的区域与敏感器视野取交集，将此交集范围作为安全着陆点选取范围，用于步骤2的着陆点选择；步骤2：在线实时获取地形安全性、着陆速度以及燃耗大小信息，利用综合考虑地形安全性、着陆速度以及燃耗大小的公式(3)选择安全着陆点；其中，τi(i＝1,2,3)为各项的权重，决定公式(3)中每部分对结果的影响大小，经过归一化处理，每部分的取值均在[0,1]；还包括通过在线滑模制导方法将探测器转移至新着陆点的步骤3；步骤3具体实现方法为，以探测器当前状态(r,v)T相对着陆点处的位移rf及速度vf之差作为变量构造如公式(8)的滑模面re＝r‑rf        (9)ve＝v‑vf         (10) 其中λ为正常数，tgo为剩余着陆时间；令s＝0得构造由相对位置矢量构成的Lyapunov函数能够验证探测器相对着陆点处的状态矢量(re,ve)T在该滑动流形s中为渐近稳定的；滑模变量s对时间取导数并令其等于0得到等价控制量aeq若系统的运动状态在滑动流形s上，利用公式(13)所述的制导律即能够使其保持在流形上并最后运动到期望平衡点；但现实中由于各种偏差及不确定性，使得系统的运动状态最初并不在滑动流形s上，因此还需加入鲁棒控制；为实现系统状态快速到达滑模面s，采用如公式(14)的指数趋近律滑模制导律(14)中的符号项会不可避免地引起抖振，采用连续函数公式(15)取代符号函数能够在一定程度上减小抖振对系统性能的影响其中，ξ为很小的正常数；联立上式得到制导律由于滑模制导律(16)中显含通过步骤1、步骤2选取的行星安全着陆点，因此在着陆过程中能够根据安全着陆点的选取结果，实时调整最终着陆位置，在线生成运动轨迹，即实现通过在线滑模制导方法将探测器转移至新着陆点。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔平远，葛丹桐，高艾，朱圣英，徐瑞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11