一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法技术

一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，属于航天器系统仿真领域。采用数据库存储高、中、低三种升阻比场景下的气动数据，覆盖火星飞行全流域，因此对飞行器类型的适用范围广，具有普适性强的优点；采用相似性等效原理对航天器模型进行等效，提高地面仿真的真实性；通过建立随机干扰模型，在控制系统中加入随机干扰信号，模拟真实环境中的干扰，更能接近航天器环境的实际情况，提升对复杂动力学环境的适应性。本发明专利技术适用于航天器系统仿真领域，通过建立动力学模型，应用相似性等效原理，设计分布式数据传输框架，实现火星气动辅助降轨的分布式地面模拟仿真，提高仿真的普适性及抗干扰能力，提高火星降轨的安全性。提高火星降轨的安全性。提高火星降轨的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，属于航天器系统仿真领域。

技术介绍

[0002]火星探测是人类进行深空探测的重要一环，而降轨是航天器从火星高轨进入火星大气并实现着陆的必经过程，途中跨越三个流区，即稀薄流区、过渡流区、连续流区。为了使每次探测达到预定的目标，进行地面等效实验是必要的。通过对整个降轨过程进行仿真模拟，发现所存在的各种问题并制定解决策略。
[0003]目前关于火星气动辅助降轨的地面模拟方法中的在先技术[1](参见:何兆伟，师鹏，葛冰等.航天器地面实验的相似性分析方法[J].北京航空航天大学学报，2012，38(4):502
‑
508)给出了航天器地面等效的相似性分析方法，但没有进行普适性的地面等效实验任务设计。在先技术[2](参见：林瀚峥,胡海霞,汤亮.航天器控制系统方案设计平台[J].计算机仿真,2016,33(02):73
‑
77+243)给出了航天器控制系统分布式框架设计方法，并通过数值仿真验证了框架的可行性，但未考虑如何在地面等效航天器的空间运动，也并未考虑随机干扰给控制系统带来的影响。
[0004]因此，对于火星气动辅助降轨的分布式地面模拟，需要给出航天器地面相似性等效方法，设计分布式数据传输框架，并考虑随机干扰给控制系统带来的影响，最后实现火星气动辅助降轨的分布式地面等效模拟。

技术实现思路

[0005]针对现有技术在气动辅助降轨仿真领域存在地面等效实验方法不具有普适性、地面仿真未考虑随机干扰的不足，本专利技术的主要目的是提出一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，通过建立动力学模型，应用相似性等效原理，设计分布式数据传输框架，实现火星气动辅助降轨的分布式地面模拟仿真，提高仿真的普适性及抗干扰能力，提高火星降轨的安全性。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，首先建立火星气动辅助降轨过程对应的极坐标动力学模型；然后，在从已经建好的数据库获取气动数据和初始状态参数；之后基于量纲等效原理，对初始状态参数进行相似性等效，得到与原型等效的状态参数；之后构建随机干扰模型；之后基于上述的状态参数、比例因子和随机干扰模型生成的随机信号，制导控制系统进行综合控制，得到控制指令；最后，将控制指令和状态参数输入到上述的动力学模型中，实现动力学的递推，得到新的状态参数；基于上述递推得到的状态参数，进行仿真动态演示；基于上述递推得到的状态参数获取新的气动数据，进行后续的分布式地面模拟仿真，提高仿真的普适性及抗干扰能力。
[0008]本专利技术公开一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1、建立火星气动辅助降轨过程的极坐标动力学模型；
[0010]火星气动辅助降轨过程的极坐标动力学模型为:
[0011][0012]其中,r为从火心到航天器质心的径向距离；θ为经度；φ为纬度；V为航天器相对火星的速度；γ为相对火星的速度矢量的航迹角；ψ为航向角；σ为倾侧角；g
r
和g
φ
分别为引力加速度的径向和纬向分量。L和D分别为气动升力加速度和阻力加速度：
[0013][0014]其中,ρ为大气密度；S为飞行器参考面积；C
L
,C
D
分别为升力系数和阻力系数；m为航天器质量。
[0015]步骤2、基于火星环境下对应不同流区的气动数据以及参考轨迹数据，建立初始数据库；
[0016]步骤3、基于正态分布模型产生随机干扰序列，建立随机干扰基本模型；
[0017]随机干扰基本模型为：
[0018][0019]其中x1为随机变量；μ1和σ1分别为正态分布的均值和方差；A为生成的随机数；基于此模型生成的随机序列为[k1A1；k2A2...k
n
A
n
]，k1,k2...k
n
分别是产生的n个随机数的系数,其中n为正整数。
[0020]步骤4、建立制导控制模型；
[0021]4.1、建立攻角数学模型α＝f(Ma)；
[0022]4.2、建立倾侧角数学模型σ＝g(t)；
[0023]4.3、优化得到制导指令α、σ；
[0024]4.4、选取状态观测量，建立状态观测矩阵x
′
；
[0025]4.5、选取控制量u＝[α,σ]，其中α、σ分别为攻角和倾侧角；
[0026]4.6、建立控制模型其中d(t)为不同时刻对应的随机干扰。
[0027]步骤5、通过数据库插值，获取气动数据C
L
,C
D
；
[0028]5.1、给定状态参数
[0029]5.2、根据4.1的攻角数学模型计算得到α；
[0030]5.3、根据5.1给定的状态参数，计算初始状态参数状态下对应的Ma；
[0031]Ma＝V/V
c
[0032]其中V
c
为火星环境下对应的声速；
[0033]5.4、根据5.2与5.3获得的α和Ma，在数据库中插值得到C
L
,C
D
。
[0034]步骤6、利用量纲分析法获得模型与原型之间的相似条件，得到原型与模型之间等效的比例因子，从而获得等效后的初始状态参数；
[0035]6.1、根据步骤1建立的动力学模型，得到需要等效的原型运动变量；
[0036]原型变量如下表所示:
[0037][0038]6.2、将6.1中原型变量中轨道半长轴s、航天器质量m、运动时间P的量纲作为基本量纲，其他原型变量的量纲均由基本量纲推导得到；
[0039]6.3、确定三个基本量纲对应的等效比例因子，再确定其他参数对应的等效比例因子。三个基本量纲对应的等效比例因子根据以下公式得到：
[0040][0041]i＝1，2，3，分别代表轨道半长轴s、航天器质量m、运动时间P；
[0042]依据基本量纲的等效比例因子，其他原型变量的等效比例因子基于以下公式获得:
[0043][0044]等效比例因子矩阵[λ
s
,λ
m
,λ
P
,λ
v
,λ
F
,λ
a
,λ
Ω
,λ
α
]；其中λ
s
,λ
m
,λ
P
,λ
v
,λ
F
,λ
a
,λ
Ω
,λ
α
分别为轨道半长轴s、航天器质量m、运动时间P、力F、速度v、加速度a、角速度Ω、角加速度α的效
比例因子。
[0045]6.4、利用6.3得到的等效比例因子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1、建立火星气动辅助降轨过程的极坐标动力学模型；步骤2、基于火星环境下对应不同流区的气动数据以及参考轨迹数据，建立初始数据库；步骤3、基于正态分布模型产生随机干扰序列，建立随机干扰基本模型；步骤4、建立制导控制模型；步骤5、通过数据库插值，获取气动数据C
L
,C
D
；步骤6、利用量纲分析法获得模型与原型之间的相似条件，得到原型与模型之间等效的比例因子，从而获得等效后的初始状态参数；步骤7、根据步骤6得到的等效初始状态参数与等效比例因子矩阵，通过制导控制模型生成制导指令；步骤8、将步骤7得到的控制指令和步骤6得到的状态参数输入到步骤1的动力学模型中进行动力学递推得到新的状态参数；步骤9、根据步骤8得到的状态参数通过可视化模型进行演示；步骤10、重复步骤5、步骤7、步骤8、步骤9，直到到达仿真终端约束条件，完成火星气动辅助降轨的分布式模拟仿真。2.如权利要求1所述的一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，其特征在于：步骤1的实现方法为，火星气动辅助降轨过程的极坐标动力学模型为:其中,r为从火心到航天器质心的径向距离；θ为经度；φ为纬度；V为航天器相对火星的速度；γ为相对火星的速度矢量的航迹角；ψ为航向角；σ为倾侧角；g
r
和g
φ
分别为引力加速度的径向和纬向分量；L和D分别为气动升力加速度和阻力加速度：
其中,ρ为大气密度；S为飞行器参考面积；C
L
,C
D
分别为升力系数和阻力系数；m为航天器质量。3.如权利要求2所述的一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，其特征在于：步骤3的实现方法为，随机干扰基本模型为：其中x1为随机变量；μ1和σ1分别为正态分布的均值和方差；A为生成的随机数；基于此模型生成的随机序列为[k1A1；k2A2...k
n
A
n
]，k1,k2...k
n
分别是产生的n个随机数的系数,其中n为正整数。4.如权利要求3所述的一种火星气动辅助降轨的分布式地面模拟方法，其特征在于：步骤4的实现方法为，4.1、建立攻角数学模型α＝f(Ma)；4.2、建立倾侧角数学模型σ＝g(t)；4.3、优化得到制导指令α、σ；4.4、选取状态观测量，建立状态观测矩阵x
’
；4.5、选取控制量u＝[α,σ]，其中α、σ分别为攻角和倾侧角；4.6、建立控制模型其中d(t)为不同时刻对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩宏伟，吕瑞峰，乔栋，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：