一种行星探测器动力着陆段在线轨迹规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种行星探测器动力着陆段在线轨迹规划方法及系统。该方法利用切比雪夫伪谱法进行离散，化最优控制问题为非线性规划问题，利用逐次凸优化方法对非线性规划的求解化为逐次求解的二阶锥规划问题，进而利用原始对偶内点法作为数值求解算法迭代求解此二阶锥规划即可得到着陆过程的轨迹，同时确定终端时间。本发明专利技术的方法及系统，能够增强轨迹规划的速度和精度，适用于进行在线轨迹规划。

【技术实现步骤摘要】
一种行星探测器动力着陆段在线轨迹规划方法及系统
本专利技术涉及轨迹规划
，特别是涉及一种行星探测器动力着陆段在线轨迹规划方法及系统。
技术介绍
在一般的行星探测器着陆过程中，通常会以燃料最优作为指标设计着陆轨迹引导探测器安全着陆。由于伞降过程的不确定性，使得动力着陆过程的初始条件无法事先确定。因此根据着陆阶段的实际情况在线设计轨迹是一种理想方式。在线设计着陆轨迹需要轨迹规划算法具有足够快的规划速度以及规划精度。但是着陆过程中存在着诸多实际的物理约束的存在，如能够提供的推力有限，对地的传感器的观测角度不确定等，使得优化问题的求解变得复杂。另外着陆过程所需的时长无法事先确定也会影响求解最优轨迹的速度。现在很多数值求解最优轨迹的方法都采用直接配点法中的等间距离散法进行离散，利用SQP(逐次二次规划)进行求解所得到的NLP(非线性规划)。然而，SQP算法不具备多项式时间特性，并不适合进行在线应用。除了数值解法对求解速度的影响，为了保证离散精度，需要大量的离散节点。而大量的离散节点意味着一个大规模的优化问题，也会影响求解速度。此外，传统的确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在线轨迹规划方法，其特征在于，包括：/n获取探测器的初始状态；所述初始状态包括着陆过程开始时探测器的质量、位置和速度；/n根据所述探测器的初始状态建立着陆轨迹优化模型；所述着陆轨迹优化模型以最小化燃料消耗量为目标，并根据行星探测器着陆过程的限制因素确定约束条件；/n采用切比雪夫伪谱法将所述着陆轨迹优化模型转换为着陆轨迹非线性规划模型；所述着陆轨迹非线性规划模型中的变量包括状态变量、控制变量和终端时间，所述状态变量与探测器的质量、位置和速度有关，所述控制变量与探测器发动机的推力有关，所述终端时间为着陆过程结束的时刻；/n获取参考轨迹，根据所述参考轨迹采用凸优化方法将所述着陆轨迹非线性规划...

【技术特征摘要】
1.一种在线轨迹规划方法，其特征在于，包括：
获取探测器的初始状态；所述初始状态包括着陆过程开始时探测器的质量、位置和速度；
根据所述探测器的初始状态建立着陆轨迹优化模型；所述着陆轨迹优化模型以最小化燃料消耗量为目标，并根据行星探测器着陆过程的限制因素确定约束条件；
采用切比雪夫伪谱法将所述着陆轨迹优化模型转换为着陆轨迹非线性规划模型；所述着陆轨迹非线性规划模型中的变量包括状态变量、控制变量和终端时间，所述状态变量与探测器的质量、位置和速度有关，所述控制变量与探测器发动机的推力有关，所述终端时间为着陆过程结束的时刻；
获取参考轨迹，根据所述参考轨迹采用凸优化方法将所述着陆轨迹非线性规划模型转换为着陆轨迹二阶锥规划模型；所述参考轨迹包括参考状态值、参考控制值和参考终端时间；
采用原始对偶内点法对所述着陆轨迹二阶锥规划模型进行求解，得到期望轨迹；所述期望轨迹包括期望状态值、期望控制值和期望终端时间；
判断着陆轨迹与所述期望轨迹的差值的切比雪夫范数是否小于预设阈值；若小于所述预设阈值，则根据所述期望轨迹采用插值法确定着陆过程的轨迹，然后输出所述着陆过程的轨迹以及所述期望终端时间；否则，根据所述期望轨迹对所述参考轨迹进行更新，并返回步骤“获取参考轨迹，根据所述参考轨迹采用凸优化方法将所述着陆轨迹非线性规划模型转换为着陆轨迹二阶锥规划模型”。


2.根据权利要求1所述的在线轨迹规划方法，其特征在于，所述根据所述探测器的初始状态建立着陆轨迹优化模型，具体包括：
根据如下公式建立着陆轨迹优化模型的目标函数：
minJ＝-m(tf)
根据如下公式建立着陆轨迹优化模型的约束条件：






fmin≤||T(t)||2≤fmax



m(0)＝m0,r(0)＝r0,v(0)＝v0
r(tf)＝rf,v(tf)＝vf
式中，J为着陆轨迹非线性规划模型的目标函数，m(tf)为探测器在tf时刻的质量，为r(t)的导数，r(t)为探测器在t时刻的位置，为v(t)的导数，v(t)为探测器在t时刻的速度，T(t)为制动发动机在t时刻的推力，为m(t)的导数，m(t)为探测器在t时刻的质量，g为重力加速度，α为发动机推力与燃料消耗量之间的系数，fmin为推力下界值，fmax为推力上界值，e1为第1个分量为1其余分量为0的单位列向量，e2为第2个分量为1其余分量为0的单位列向量，e3为第3个分量为1其余分量为0的单位列向量，γ为预设滑翔倾角，m0为着陆过程开始时探测器的质量，r0为着陆过程开始时探测器的位置，v0为着陆过程开始时探测器的速度，rf为探测器着陆点的位置，rf＝0，vf为探测器安全着陆所需的速度，vf＝0，tf为终端时间。


3.根据权利要求2所述的在线轨迹规划方法，其特征在于，所述采用切比雪夫伪谱法将所述着陆轨迹优化模型转换为着陆轨迹非线性规划模型，具体包括：
根据探测器着陆过程的时域范围确定着陆轨迹中的离散节点；所述时域范围为探测器着陆过程的始端时间与终端时间形成的闭区间；
采用直接配点法确定在所述离散节点处的状态变量和控制变量；
根据所述状态变量和所述控制变量，将所述着陆轨迹优化模型转换为着陆轨迹非线性规划模型。


4.根据权利要求3所述的在线轨迹规划方法，其特征在于，所述根据探测器着陆过程的时域范围确定着陆轨迹中的离散节点，具体包括：
将所述时域范围由[0,tf]转化到[-1,1]，得到其中，t为实际时间，τ为伪谱时间；
获取着陆轨迹中的离散节点个数，并根据所述离散节点个数根据如下公式确定着陆轨迹中的离散节点：



式中，τk为第k个离散节点，N+1为离散节点总数。


5.根据权利要求4所述的在线轨迹规划方法，其特征在于，所述根据所述状态变量和所述控制变量，将所述着陆轨迹优化模型转换为着陆轨迹非线性规划模型，具体包括：
根据如下公式确定所述着陆轨迹非线性规划模型的目标函数：
minJ'＝-cTX
根据如下公式确定所述着陆轨迹非线性规划模型的约束条件：






||QiU||2≤miTU



C1X＝X0,C2X＝Xf
其中，
X＝(R1TR2TR3TV1TV2TV3TZT)T
U＝(U1TU2TU3TΣT)T



式中，J'为着陆轨迹非线性规划模型的目标函数，X为状态变量矩阵，U为控制变量矩阵，Rj为探测器位置向量，j＝1,2,3，R1为探测器水平横向位置向量，R2为探测器水平纵向位置向量，R3为探测器竖直方向位置向量，Vj为探测器速度向量，V1为探测器水平横向速度向量，V2为探测器水平纵向速度向量，V3为探测器竖直方向速度向量，Z为探测器质量对数向量，Uj为探测器第一控制向量，U1为探测器水平横向第一控制向量，U2为探测器水平纵向第一控制向量，U3为探测器竖直方向第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卫红，夏伟博，刘正华，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11