基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法及系统技术方案

本发明专利技术属于航空航天技术领域，具体涉及了一种基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法及系统，旨在解决现有技术无法实现非等值非平行引力场中探测器高精度比例导引的问题。本发明专利技术包括：获取目标天体相对探测器的视线矢量序列；通过数值微分和滤波计算目标天体相对于探测器的当前视线角速度；构建非等值非平行引力场中目标天体与探测器的相对动力学模型；以探测器和目标天体的位置和速度为模型初值，通过积分获取需用视线角速度；以当前视线角速度与需用视线角速度的差，结合探测器与目标天体的相对位置矢量计算待增速度矢量，进行探测器控制。本发明专利技术适用于非等值非平行引力场环境，保证探测器导引精度与导引效率，减少燃料消耗。

【技术实现步骤摘要】
基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法及系统
本专利技术属于航空航天
，具体涉及了一种基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法及系统。
技术介绍
在深空自主导航领域中，由于技术成熟度高、体积重量小和成本低等多方面的优势，光学自主导航系统获得了广泛关注。光学自主导航系统通过识别目标天体所成图像的像平面位置，得到对应视线矢量，通过多次测量的序列图像，得到序列视线角偏差，之后通过滤波估计算法获取探测器的位置和速度的估计值。比例导引技术是一种传统的制导方法，由于其所需的信息量少，可靠性高和可操作性强等优点在导弹制导中获得广泛的应用。随着现代战争对毁伤效果提出更多的要求，往往要求攻击角度和终端速度满足一定的约束，在多约束需求的牵引下，比例导引也发展出多种扩展和修正形式，但这些制导律大多是以导弹为控制对象，且控制力连续可调，不适用于深空探测器的离散以及恒定推力场景。在等值平行引力场中，探测器和目标所受的引力加速度大小方向均相等，根据比例导引方法设置视线角速度为零的思想，可根据当前视线角速度结合相对距离和视线方向计算待增速度矢量，而在非等值非平行引力场中，上述待增速度矢量的作用效果仅可保证当前时刻视线角速度为零，随着时间推移，引力加速度差异的持续作用使视线角速度不断发散，最终影响导引效果。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法实现非等值非平行引力场中探测器高精度比例导引的问题，本专利技术提供了一种基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，该方法包括：步骤S10，获取目标天体相对于探测器的视线矢量序列；通过星历获取目标天体的位置，通过自主导航获取探测器的位置；步骤S20，以所述视线矢量序列为源数据，通过数值微分和滤波方法计算目标天体相对于探测器的当前视线角速度；步骤S30，基于所述目标天体的位置以及探测器的位置，构建非等值和非平行引力场中目标天体与探测器的相对动力学模型；步骤S40，以当前目标天体的位置和速度以及探测器的位置和速度作为所述相对动力学模型的初值，并进行所述相对动力学模型的积分，获得目标天体相对于探测器的需用视线角速度；步骤S50，基于目标天体相对于探测器的当前视线角速度与需用视线角速度的差，结合探测器与目标天体的相对位置矢量，计算探测器的当前待增速度矢量；步骤S60，基于所述当前待增速度矢量进行探测器控制直至所述探测器成功撞击目标天体。在一些优选的实施例中，步骤S10中“目标天体相对于探测器的视线矢量序列”通过设置于探测器的光学相机获取；所述光学相机按固定周期对所述目标天体成像；所述探测器，其姿态控制系统通过控制所述探测器的姿态使得所述目标天体在所述光学相机的视场内。在一些优选的实施例中，所述视线矢量序列包括设定时间内两个或两个以上时刻对应的视线矢量。在一些优选的实施例中，所述数值微分为拉格朗日插值微分或最小二乘多项式拟合微分；所述滤波为低通滤波。在一些优选的实施例中，所述非等值和非平行引力场中探测任务期间内中心引力场引力的变化不可忽略，探测器与目标天体的引力加速度差异不可忽略。在一些优选的实施例中，步骤S50中“探测器与目标天体的相对位置矢量”，其获取方法为：若所述探测器与目标天体的绝对位置矢量精确已知，则基于探测器和目标天体的绝对位置矢量计算获取其相对位置矢量；若所述探测器与目标天体的绝对位置矢量非精确已知，则通过光学相机获取的目标天体相对于探测器的视线矢量获取其相对位置矢量。在一些优选的实施例中，步骤S50之后还包括：设置待增速度矢量的下限阈值，并执行：若待增速度矢量低于或等于设定下限阈值，则不进行探测器的调整，探测器继续按照原来的速度飞行；若待增速度矢量高于设定下限阈值，则调整探测器的速度。本专利技术的另一方面，提出了一种基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制系统，基于上述的基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，该系统包括输入模块、微分及滤波模块、动力学模型构建模块、需用视线角速度计算模块、待增速度矢量计算模块和探测器控制模块；所述输入模块，配置为获取目标天体相对于探测器的视线矢量序列；通过星历获取目标天体的位置，通过自主导航获取探测器的位置；所述微分及滤波模块，配置为以所述视线矢量序列为源数据，通过数值微分和滤波方法计算目标天体相对于探测器的当前视线角速度；所述动力学模型构建模块，配置为基于所述目标天体的位置以及探测器的位置，构建非等值和非平行引力场中目标天体与探测器的相对动力学模型；所述需用视线角速度计算模块，配置为以当前目标天体的位置和速度以及探测器的位置和速度作为所述相对动力学模型的初值，并进行所述相对动力学模型的积分，获得目标天体相对于探测器的需用视线角速度；所述待增速度矢量计算模块，配置为基于目标天体相对于探测器的当前视线角速度与需用视线角速度的差，结合探测器与目标天体的相对位置矢量，计算探测器的当前待增速度矢量；所述探测器控制模块，配置为基于所述当前待增速度矢量进行探测器控制直至所述探测器成功撞击目标天体。本专利技术的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法。本专利技术的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，使用比例导引的思想，考虑探测器与目标的相对运动关系，利用光学相机的测量信息获取视线变化信息；利用非准确的轨道信息估算需用角速度并计算待增速度矢量，排除引力加速度差异带来的干扰，保证导引精度，减少燃料消耗。（2）本专利技术基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，不需要地面测控系统对轨道信息的支持，没有自主导航滤波估计算法的收敛时间，没有收敛精度问题，探测器控制效率高。（3）本专利技术基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，考虑探测器与目标天体所受的引力加速度的差异和随时间变化的特性，减少了燃料消耗，提高了探测器控制精度。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本专利技术基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法的流程示意图；图2是本专利技术基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法一种实施例的火卫一撞击任务示意图；图3是本专利技术基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法一种实施例的撞击器导航、制导与控制系统的原理框图；图4是本专利技术基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法一种实施例的比例导引方法计算过程示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，其特征在于，该方法包括：步骤S10，获取目标天体相对于探测器的视线矢量序列；通过星历获取目标天体的位置，通过自主导航获取探测器的位置；步骤S20，以所述视线矢量序列为源数据，通过数值微分和滤波方法计算目标天体相对于探测器的当前视线角速度；步骤S30，基于所述目标天体的位置以及探测器的位置，构建非等值和非平行引力场中目标天体与探测器的相对动力学模型；步骤S40，以当前目标天体的位置和速度以及探测器的位置和速度作为所述相对动力学模型的初值，并进行所述相对动力学模型的积分，获得目标天体相对于探测器的需用视线角速度；步骤S50，基于目标天体相对于探测器的当前视线角速度与需用视线角速度的差，结合探测器与目标天体的相对位置矢量，计算探测器的当前待增速度矢量；步骤S60，基于所述当前待增速度矢量进行探测器控制直至所述探测器成功撞击目标天体。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，其特征在于，该方法包括：步骤S10，获取目标天体相对于探测器的视线矢量序列；通过星历获取目标天体的位置，通过自主导航获取探测器的位置；步骤S20，以所述视线矢量序列为源数据，通过数值微分和滤波方法计算目标天体相对于探测器的当前视线角速度；步骤S30，基于所述目标天体的位置以及探测器的位置，构建非等值和非平行引力场中目标天体与探测器的相对动力学模型；步骤S40，以当前目标天体的位置和速度以及探测器的位置和速度作为所述相对动力学模型的初值，并进行所述相对动力学模型的积分，获得目标天体相对于探测器的需用视线角速度；步骤S50，基于目标天体相对于探测器的当前视线角速度与需用视线角速度的差，结合探测器与目标天体的相对位置矢量，计算探测器的当前待增速度矢量；步骤S60，基于所述当前待增速度矢量进行探测器控制直至所述探测器成功撞击目标天体。


2.根据权利要求1所述的基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，其特征在于，步骤S10中“目标天体相对于探测器的视线矢量序列”通过设置于探测器的光学相机获取；所述光学相机按固定周期对所述目标天体成像；所述探测器，其姿态控制系统通过控制所述探测器的姿态使得所述目标天体在所述光学相机的视场内。


3.根据权利要求1所述的基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，其特征在于，所述视线矢量序列包括设定时间内两个或两个以上时刻对应的视线矢量。


4.根据权利要求1所述的基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，其特征在于，所述数值微分为拉格朗日插值微分或最小二乘多项式拟合微分；所述滤波为低通滤波。


5.根据权利要求1所述的基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，其特征在于，所述非等值和非平行引力场中探测任务期间内中心引力场引力的变化不可忽略，探测器与目标天体的引力加速度差异不可忽略。


6.根据权利要求3所述的基于比例导引的非平行引力场深空撞击控制方法，其特征在于，步骤S50中“探测器与目标天体的相对位置矢量”，其获取方法为：若所述探测器与目标天体的绝对位置矢量精确已知，则基于探测器和目标天体的绝对位置矢量计算获取其相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩柠，王云财，张松涛，衣样，刘辉，
申请(专利权)人：北京控制与电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11