一种月面飞跃轨迹生成方法技术

本发明专利技术涉及一种月面飞跃轨迹生成方法，属于天体表面飞行探测器的轨迹设计领域；在飞跃轨迹平面内建立二自由度运动模型；将飞跃轨迹分成六个阶段；设定除凸优化段之外五个阶段在二自由度运动模型中的参数；设定五个阶段的变段条件；设定凸优化段飞行时间范围；设定凸优化变量形式、目标函数、约束条件；设定凸优化段初始条件；设定凸优化段结束条件；生成凸优化段轨迹；计算凸优化段与第一次、第二次转弯段衔接处的姿态偏差,与第二次转弯段衔接处的质量偏差；若偏差均小于设定值，则当前轨迹为最终生成的轨迹；否则转下一步；根据偏差，分别校正两次转弯段的飞行时间与接近段初始质量，本发明专利技术简单可靠，适用于离线或在线计算。适用于离线或在线计算。适用于离线或在线计算。

【技术实现步骤摘要】
一种月面飞跃轨迹生成方法


[0001]本专利技术属于天体表面飞行探测器的轨迹设计领域，涉及一种月面飞跃轨迹生成方法。

技术介绍

[0002]飞行探测器可以放置科学载荷到预定的天体表面，作为信号站点构建网络，在建立基地、测绘天体表面过程中发挥重要作用；另外，飞行探测器还能用于验证着陆技术、姿态确定技术、能源生成与存储技术、敏感器技术、材料技术、通信技术，为行星、卫星、小行星、彗星等天体探测提供有力的技术验证。目前存在月球着陆、行星着陆、再入地球等下降过程的轨迹设计方法以及天体表面起飞、地面发射等上升轨迹设计方法，现有技术无法完成飞行探测任务。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种月面飞跃轨迹生成方法，充分考虑实际任务需求与约束条件，简单可靠，可离线或在线使用，为天体表面飞行探测任务提供了一种通用的轨迹设计方法。
[0004]本专利技术解决技术的方案是：
[0005]一种月面飞跃轨迹生成方法，包括：
[0006]步骤一、设目标着陆位置为原点，在飞行器轨迹的竖直平面内建立二自由度运动模型；
[0007]步骤二、将飞跃器轨迹分成六个阶段，分别为垂直上升段、第一次转弯段、凸优化段、第二次转弯段、接近段、缓速下降段；
[0008]步骤三、设定除凸优化段之外五个阶段在二自由度运动模型中的参数；设定除凸优化段之外五个阶段的变段条件；设定凸优化段飞行时间范围；设定凸优化变量形式、目标函数、约束条件；
[0009]步骤四、针对前两个阶段，数值积分二自由度运动模型，得到凸优化段初始条件；
[0010]步骤五、针对第二次转弯段，反向数值积分二自由度运动模型，得到凸优化段结束条件；
[0011]步骤六、生成凸优化段轨迹；
[0012]步骤七、计算凸优化段轨迹与第一次转弯段、第二次转弯段两段轨迹衔接处的姿态偏差；计算凸优化段轨迹与第二次转弯段轨迹衔接处的质量偏差；
[0013]步骤八、若步骤七得到的偏差均小于设定阈值，则当前轨迹就是最终生成的轨迹，终止流程，否则转步骤九；
[0014]步骤九、根据步骤七得到的偏差，分别校正两次转弯段的飞行时间与接近段初始质量，转步骤四，直至偏差均小于设定阈值。
[0015]在上述的一种月面飞跃轨迹生成方法，所述的步骤一中，二自由度运动模型为：
[0016]a
x
(t
k
)＝F(t
k
)cosθ(t
k
)/m(t
k
)
‑
g
m
[0017]a
y
(t
k
)＝F(t
k
)sinθ(t
k
)/m(t
k
)
[0018]v
x
(t
k+1
)＝v
x
(t
k
)+a
x
(t
k
)T
[0019]v
y
(t
k+1
)＝v
y
(t
k
)+a
y
(t
k
)T
[0020]x(t
k+1
)＝x(t
k
)+v
x
(t
k
)T
[0021]y(t
k+1
)＝y(t
k
)+v
y
(t
k
)T
[0022]m(t
k+1
)＝m(t
k
)
‑
F(t
k
)T/I
sp
[0023]式中，t
k
为第k拍时刻；
[0024]t
k+1
为第k+1拍时刻；
[0025]F为主发动机推力；
[0026]m为飞行器质量，在飞跃过程中，随推进剂消耗m变化；
[0027]θ为飞行器纵轴与竖直方向夹角，头超前为正；
[0028]g
m
为月球引力加速度大小，1.62m/s2；
[0029]I
sp
为主发动机比冲；
[0030]T为轨迹更新周期；
[0031]a
x
为竖直加速度，向上为正；
[0032]a
y
为水平加速度，指向发射方向为正；
[0033]v
x
为竖直速度；
[0034]v
y
为水平速度；
[0035]x为竖直位置；
[0036]y为水平位置。
[0037]在上述的一种月面飞跃轨迹生成方法，所述的步骤三中，除凸优化段之外五个阶段在二自由度运动模型中的输入参数分别为：
[0038]垂直上升段：F＝F
max
，θ＝0；
[0039]第一次转弯段：F＝F
max
，θ＝ω(t
k
‑
T1)；
[0040]第二次转弯段：F＝F
max
，θ＝ω(T4‑
t
k
)；
[0041]接近段：F＝||ma
cx
‑
g
m
,ma
cy
||，θ＝tan
‑1(a
cy
/a
cx
)；
[0042]缓速下降段：F＝mg
m
，θ＝0；
[0043]其中，
[0044][0045]式中，F
max
为主发动机的最大推力；
[0046]ω为预设转弯段角速度；
[0047]T1为预设垂直上升段结束时间；
[0048]T4为预设第二次转弯段结束时间；
[0049]a
cx
为接近段竖直加速度指令；
[0050]a
cy
为接近段水平加速度指令；
[0051]x
t
为预设接近段终端竖直位置；
[0052]y
t
为预设接近段终端水平位置；
[0053]v
tx
为预设接近段终端竖直速度；
[0054]v
ty
为预设接近段终端水平速度；
[0055]a
tx
为预设接近段终端竖直加速度，a
tx
＞0；
[0056]a
ty
为预设接近段终端水平加速度；
[0057]t
go
为接近段剩余飞行时间。
[0058]在上述的一种月面飞跃轨迹生成方法，所述的步骤三中，除凸优化段之外五个阶段的变段条件分别为：
[0059]垂直上升段变为程序转弯段：t
k
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种月面飞跃轨迹生成方法，其特征在于：包括：步骤一、设目标着陆位置为原点，在飞行器轨迹的竖直平面内建立二自由度运动模型；步骤二、将飞跃器轨迹分成六个阶段，分别为垂直上升段、第一次转弯段、凸优化段、第二次转弯段、接近段、缓速下降段；步骤三、设定除凸优化段之外五个阶段在二自由度运动模型中的参数；设定除凸优化段之外五个阶段的变段条件；设定凸优化段飞行时间范围；设定凸优化变量形式、目标函数、约束条件；步骤四、针对前两个阶段，数值积分二自由度运动模型，得到凸优化段初始条件；步骤五、针对第二次转弯段，反向数值积分二自由度运动模型，得到凸优化段结束条件；步骤六、生成凸优化段轨迹；步骤七、计算凸优化段轨迹与第一次转弯段、第二次转弯段两段轨迹衔接处的姿态偏差；计算凸优化段轨迹与第二次转弯段轨迹衔接处的质量偏差；步骤八、若步骤七得到的偏差均小于设定阈值，则当前轨迹就是最终生成的轨迹，终止流程，否则转步骤九；步骤九、根据步骤七得到的偏差，分别校正两次转弯段的飞行时间与接近段初始质量，转步骤四，直至偏差均小于设定阈值。2.根据权利要求1所述的一种月面飞跃轨迹生成方法，其特征在于：所述的步骤一中，二自由度运动模型为：a
x
(t
k
)＝F(t
k
)cosθ(t
k
)/m(t
k
)
‑
g
m
a
y
(t
k
)＝F(t
k
)sinθ(t
k
)/m(t
k
)v
x
(t
k+1
)＝v
x
(t
k
)+a
x
(t
k
)Tv
y
(t
k+1
)＝v
y
(t
k
)+a
y
(t
k
)Tx(t
k+1
)＝x(t
k
)+v
x
(t
k
)Ty(t
k+1
)＝y(t
k
)+v
y
(t
k
)Tm(t
k+1
)＝m(t
k
)
‑
F(t
k
)T/I
sp
式中，t
k
为第k拍时刻；t
k+1
为第k+1拍时刻；F为主发动机推力；m为飞行器质量，在飞跃过程中，随推进剂消耗m变化；θ为飞行器纵轴与竖直方向夹角，头超前为正；g
m
为月球引力加速度大小，1.62m/s2；I
sp
为主发动机比冲；T为轨迹更新周期；a
x
为竖直加速度，向上为正；a
y
为水平加速度，指向发射方向为正；v
x
为竖直速度；v
y
为水平速度；x为竖直位置；
y为水平位置。3.根据权利要求1所述的一种月面飞跃轨迹生成方法，其特征在于：所述的步骤三中，除凸优化段之外五个阶段在二自由度运动模型中的输入参数分别为：垂直上升段：F＝F
max
，θ＝0；第一次转弯段：F＝F
max
，θ＝ω(t
k
‑
T1)；第二次转弯段：F＝F
max
，θ＝ω(T4‑
t
k
)；接近段：F＝||ma
cx
‑
g
m
,ma
cy
||，θ＝tan
‑1(a
cy
/a
cx
)；缓速下降段：F＝mg
m
，θ＝0；其中，其中，式中，F
max
为主发动机的最大推力；ω为预设转弯段角速度；T1为预设垂直上升段结束时间；T4为预设第二次转弯段结束时间；a
cx
为接近段竖直加速度指令；a
cy
为接近段水平加速度指令；x
t
为预设接近段终端竖直位置；y
t
为预设接近段终端水平位置；v
tx
为预设接近段终端竖直速度；v
ty
为预设接近段终端水平速度；a
tx
为预设接近段终端竖直加速度，a
tx
＞0；a
ty
为预设接近段终端水平加速度；t
go
为接近段剩余飞行时间。4.根据权利要求1所述的一种月面飞跃轨迹生成方法，其特征在于：所述的步骤三中，除凸优化段之外五个阶段的变段条件分别为：垂直上升段变为程序转弯段：t
k
≥T1；第一次转弯段变为凸优化段：t
k
≥T2；第二次转弯段变为接近段：t...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪华，陈上上，关轶峰，于萍，王泽国，王浩帆，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：