一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法、装置及设备制造方法及图纸

本申请涉及一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法、装置及设备，其方法包括构建多次改变近地点幅角的升力体飞行器运动方程；建立弹道参数与轨道参数的转换关系；构建近地点幅角方程，并得到近地点幅角ω和弹道参数的关系；对近地点幅角ω进行局部敏感度分析，将使近地点幅角ω的敏感度最大的参数作为优化变量，使升力体飞行器每次飞出大气层时的速度达到最大，并通过选定不同的飞出点纬度φ，明确升体力飞行器飞出大气层时的位置；基于Gauss伪谱法对穿刺探测飞行轨迹进行优化，得到需要的再入轨迹。解决了现有的火星大气电离层探测方式存在探测区域片面、可探测范围受限的问题。本申请具有对火星大气电离层进行更全面地探测的效果。探测的效果。探测的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法、装置及设备


[0001]本申请涉及深空探测
，尤其是涉及一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法、装置及设备。

技术介绍

[0002]火星是太阳系中离地球最近的一颗类地行星，因此它一直是人类行星探测的首选目标。火星探测对于人类认识和了解类地行星的演化过程、气候变化的成因以及探索生命的起源都具有重大的参考价值。
[0003]其中，火星大气电离层直接关系到地球与火星之间的通信、火星当地的通信等重要活动，且对于利用雷达在火星上找水源是极其重要的，因此，探测研究火星大气电离层具有重要的理论意义和工程价值。
[0004]火星大气电离层探测的方式大致可分为直接探测和间接探测两种。直接探测是采用空间飞行器作为载体，将探测装置携带到电离层中对其进行直接测量；间接探测是采用人工发射机发射的电磁波，经过电离层传播时与等离子体相互作用产生电磁效应，进而间接的推算出电离层特性参量。
[0005]但直接探测存在观测时间短、探测区域片面等问题；间接探测则空间分辨率低，无法探测到火星电离层中的精细结构，且可探测的电离层太阳天顶角范围受到地球与火星轨道的限制。
[0006]针对上述中的相关技术，专利技术人认为存在有现有的火星大气电离层探测方式存在探测区域片面、可探测范围受限的缺陷。

技术实现思路

[0007]为了对火星大气电离层进行更全面地探测，本申请提供了一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法、装置及设备。
[0008]第一方面，本申请提供一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法，具有对火星大气电离层进行更全面地探测的特点。
[0009]本申请是通过以下技术方案得以实现的：
[0010]一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法，包括以下步骤，
[0011]构建多次改变近地点幅角的升力体飞行器运动方程；
[0012]基于所述升力体飞行器运动方程，建立弹道参数与轨道参数的转换关系；
[0013]基于所述弹道参数与轨道参数的转换关系，构建近地点幅角方程，并得到近地点幅角ω和弹道参数的关系；
[0014]基于近地点幅角ω和弹道参数的关系，对所述近地点幅角ω进行局部敏感度分析，将使近地点幅角ω的敏感度最大所对应的弹道参数作为优化变量，同时，使升力体飞行器每次飞出大气层时的速度达到最大，并通过选定不同的飞出点纬度φ，明确升体力飞行器飞出大气层时的位置；
[0015]基于Gauss伪谱法对穿刺探测飞行轨迹进行优化，得到需要的再入轨迹。
[0016]本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述近地点幅角ω和弹道参数的关系包括，
[0017]近地点幅角ω与火心距r、纬度φ、速度v、速度倾角γ以及速度偏角ψ五个弹道参数相关，并且与火心距r、纬度φ、速度偏角ψ、速度v的平方以及速度倾角γ的平方是反三角函数的关系。
[0018]本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述对所述近地点幅角ω进行局部敏感度分析的步骤包括，
[0019]在预设的弹道参数范围内，并在同一量度下，采用直接求导法，依次对纬度φ、速度v、速度倾角γ和速度偏角ψ进行求偏导。
[0020]本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述基于Gauss伪谱法对穿刺探测飞行轨迹进行优化的步骤包括，
[0021]采用Legendre多项式的根作为离散点，并将控制变量以及状态变量同时离散化，再利用序列二次规划算法进行寻优。
[0022]本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述升力体飞行器运动方程包括升力体飞行器大气层内无动力三自由度再入运动方程和升力体飞行器大气层外无动力三自由度运动方程。
[0023]本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述建立弹道参数与轨道参数的转换关系的步骤包括，
[0024]已知弹道参数，根据火心距r、飞行器的速度v、飞行器的速度倾角γ、火星引力常数μ和球面几何关系，求得半长轴a、偏心率e、真近点角f、轨道倾角i、升交点赤经Ω和近地点幅角ω。
[0025]本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述建立弹道参数与轨道参数的转换关系的步骤包括，
[0026]已知轨道参数，根据半长轴a、偏心率e、真近点角f、球面几何关系和火星引力常数μ，求得火心距r、飞行器的速度v、飞行器的速度倾角γ、纬度φ、经度θ、飞行器的速度偏角ψ。
[0027]本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：还包括以下步骤，
[0028]基于Gauss伪谱法优化理论，对穿刺探测飞行动力学模型及其参数关系进行仿真验证。
[0029]第二方面，本申请提供一种火星大气电离层穿刺探测飞行动力学与轨迹优化装置，具有对火星大气电离层进行更全面地探测的特点。
[0030]本申请是通过以下技术方案得以实现的：
[0031]一种火星大气电离层穿刺探测飞行动力学与轨迹优化装置，包括，
[0032]运动方程模块，用于构建多次改变近地点幅角的升力体飞行器运动方程；
[0033]弹道参数与轨道参数转换模块，用于基于所述升力体飞行器运动方程，建立弹道参数与轨道参数的转换关系；
[0034]近地点幅角ω和弹道参数关系模块，用于基于所述弹道参数与轨道参数的转换关系，构建近地点幅角方程，并得到近地点幅角ω和弹道参数的关系；
[0035]优化模块，用于基于近地点幅角ω和弹道参数的关系，对所述近地点幅角ω进行局部敏感度分析，将使近地点幅角ω的敏感度最大所对应的弹道参数作为优化变量，同时，使升力体飞行器每次飞出大气层时的速度达到最大，并通过选定不同的飞出点纬度φ，明确升体力飞行器飞出大气层时的位置；
[0036]轨迹模块，用于基于Gauss伪谱法对穿刺探测飞行轨迹进行优化，得到需要的再入轨迹。
[0037]第三方面，本申请提供一种计算机设备，具有对火星大气电离层进行更全面地探测的特点。
[0038]本申请是通过以下技术方案得以实现的：
[0039]一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法的步骤。
[0040]第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，具有对火星大气电离层进行更全面地探测的特点。
[0041]本申请是通过以下技术方案得以实现的：
[0042]一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法的步骤。
[0043]本申请通过构建升力体飞行器运动方程；建立弹道参数与轨道参数的转换关系；构建近地点幅角方程，并得到近地点幅角ω和弹道参数的关系；再设定近地点幅角ω的优化变量，同时，使升力体飞行器每次飞出大气层时的速度达到最大，并通过选定不同的飞出点纬度φ，明确升体力飞行器飞出大气层时的位置；基于Gauss伪谱法对穿刺探测飞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤，构建多次改变近地点幅角的升力体飞行器运动方程；基于所述升力体飞行器运动方程，建立弹道参数与轨道参数的转换关系；基于所述弹道参数与轨道参数的转换关系，构建近地点幅角方程，并得到近地点幅角ω和弹道参数的关系；基于近地点幅角ω和弹道参数的关系，对所述近地点幅角ω进行局部敏感度分析，将使近地点幅角ω的敏感度最大所对应的弹道参数作为优化变量，同时，使升力体飞行器每次飞出大气层时的速度达到最大，并通过选定不同的飞出点纬度φ，明确升体力飞行器飞出大气层时的位置；基于Gauss伪谱法对穿刺探测飞行轨迹进行优化，得到需要的再入轨迹。2.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法，其特征在于，所述近地点幅角ω和弹道参数的关系包括，近地点幅角ω与火心距r、纬度φ、速度v、速度倾角γ以及速度偏角ψ五个弹道参数相关，并且与火心距r、纬度φ、速度偏角ψ、速度v的平方以及速度倾角γ的平方是反三角函数的关系。3.根据权利要求2所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法，其特征在于，所述对所述近地点幅角ω进行局部敏感度分析的步骤包括，在预设的弹道参数范围内，并在同一量度下，采用直接求导法，依次对纬度φ、速度v、速度倾角γ和速度偏角ψ进行求偏导。4.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法，其特征在于，所述基于Gauss伪谱法对穿刺探测飞行轨迹进行优化的步骤包括，采用Legendre多项式的根作为离散点，并将控制变量以及状态变量同时离散化，再利用序列二次规划算法进行寻优。5.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法，其特征在于，所述升力体飞行器运动方程包括升力体飞行器大气层内无动力三自由度再入运动方程和升力体飞行器大气层外无动力三自由度运动方程。6.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法，其特征在于，所述建立弹道参数与轨道参数的转换关系的步骤包括，已知弹道参数，根据火心距r、飞行器的速度v、飞行器的速度倾角γ、火星引力常数μ和球面几何关系，...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁海朝，王剑颖，李明儒，张亮，李智，伍元培，罗云皓，车浩晖，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：