【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及火箭轨迹优化，特别是涉及一种基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法及系统。
技术介绍
1、在火箭的上升段飞行过程中，可能出现的发动机故障会严重影响火箭的飞行轨迹，导致火箭无法进入期望的目标轨道，使得发射任务失败。因此，在火箭控制系统计算机检测到火箭发动机故障时，需要应用轨迹优化方法重新规划火箭未来的飞行轨迹和目标轨道。常见的轨迹规划问题包含五类：燃料最优入轨问题、圆轨道最大化问题、椭圆轨道最大化问题、固定近地点高度的椭圆轨道最大化问题和限制近地点高度的椭圆轨道最大化问题。其中，第一类燃料最优入轨问题计算达到目标轨道所需的燃料，从而判断火箭发动机故障后还能否达到目标轨道；其他四类问题是在火箭无法到达目标轨道的场景下，重新优化目标轨道作为安全降级轨道。通过求解五类轨迹规划问题，火箭控制系统计算机可有效应对各种类型的发动机故障，保证载荷的安全，对增强重要航天任务的可靠性具有重要意义。
2、然而，现有的火箭轨迹优化方法主要是针对一类问题开发的，因此求解五类问题需要在火箭控制系统计算机上搭载五种不同的方法，显著增加了对火箭控制系统计算机资源的消耗以及对应方法的编程、测试和维护成本。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法及系统，能够有效提高火箭控制系统的适应性、可靠性和计算效率，并有效降低火箭控制系统的资源消耗和成本。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案。
3、一种基于模式选择参数的五
4、获取火箭飞行中的当前状态参数；所述当前状态参数包括：当前位置、当前速度、当前质量、推力大小、质量流量以及干重。
5、获取火箭发射前装载的标称轨迹；所述标称轨迹包括：标称飞行时间、标称位置曲线、标称速度曲线、标称质量曲线以及标称推力方向曲线。
6、基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值；所述五类轨迹规划问题包括：燃料最优入轨问题、圆轨道最大化问题、椭圆轨道最大化问题、固定近地点高度的椭圆轨道最大化问题以及限制近地点高度的椭圆轨道最大化问题。
7、基于五类轨迹规划问题对应的动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值建立误差函数。
8、根据误差函数、当前状态参数以及模式选择参数构建统一的最优控制问题模型。
9、设定最优控制问题模型中的标称值并在标称值处线性化最优控制问题，得到凸最优控制问题。
10、对凸最优控制问题进行多次迭代求解，输出最优火箭轨迹。
11、可选地，所述基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值，具体包括：当轨迹规划问题为燃料最优入轨问题时，令模式选择参数，采用公式求解动量矩向量参考值；采用公式求解拉普拉斯向量参考值；采用公式求解近地点高度参考值；其中，、和分别为动量矩向量、拉普拉斯向量以及近地点高度的计算函数；为标称位置曲线；为标称速度曲线。
12、当轨迹规划问题为圆轨道最大化问题时，令模式选择参数，采用公式求解动量矩向量参考值；拉普拉斯向量参考值；近地点高度参考值；其中，为轨道倾角；为升交点赤经。
13、当轨迹规划问题为椭圆轨道最大化问题时，令模式选择参数，采用公式求解动量矩向量参考值；采用公式求解拉普拉斯向量参考值；近地点高度参考值；其中，为离心率；为近地点辐角；为地球引力常数。
14、当轨迹规划问题为固定近地点高度的椭圆轨道最大化问题或限制近地点高度的椭圆轨道最大化问题时，令模式选择参数为或，采用公式求解动量矩向量参考值；采用公式求解拉普拉斯向量参考值；近地点高度参考值为预设输入值。
15、可选地，所述基于五类轨迹规划问题对应的动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值建立误差函数，具体包括：基于五类轨迹规划问题的动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值分别建立第一误差函数、第二误差函数以及第三误差函数；其中，和为引入的标量参数；表示位置；表示速度。
16、可选地，所述根据误差函数、当前状态参数以及模式选择参数构建统一的最优控制问题模型，具体包括：根据误差函数、当前状态参数以及模式选择参数构建出统一的最优控制问题模型；其中，为燃料最优入轨问题的模式选择参数；为圆轨道最大化问题的模式选择参数；为椭圆轨道最大化问题的模式选择参数；为固定近地点高度的椭圆轨道最大化问题的模式选择参数；为限制近地点高度的椭圆轨道最大化问题的模式选择参数；maximize表示最大化；subject to表示约束组；表示时间后火箭的质量；表示当前状态量；表示时间后的状态量；为当前位置；为当前速度；为当前质量；为由位置、速度和质量组成的状态量；为的一阶导数；为控制量；为求幅值符号；为火箭的飞行时间；；；；其中，为推力大小；为质量流量；为干重；为时间后火箭的位置；为时间后火箭的速度。
17、一种基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化系统，包括以下模块。
18、当前状态参数获取模块，用于获取火箭飞行中的当前状态参数；所述当前状态参数包括：当前位置、当前速度、当前质量、推力大小、质量流量以及干重。
19、标称轨迹获取模块，用于获取火箭发射前装载的标称轨迹；所述标称轨迹包括：标称飞行时间、标称位置曲线、标称速度曲线、标称质量曲线以及标称推力方向曲线。
20、参数计算模块，用于基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值；所述五类轨迹规划问题包括：燃料最优入轨问题、圆轨道最大化问题、椭圆轨道最大化问题、固定近地点高度的椭圆轨道最大化问题以及限制近地点高度的椭圆轨道最大化问题。
21、误差函数建立模块，用于基于五类轨迹规划问题对应的动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值建立误差函数。
22、最优控制问题模型构建模块，用于根据误差函数、当前状态参数以及模式选择参数构建统一的最优控制问题模型。
23、线性化模块，用于设定最优控制问题模型中的标称值并在标称值处线性化最优控制问题，得到凸最优控制问题。
24、轨迹输出模块，用于对凸最优控制问题进行多次迭代求解，输出最优火箭轨迹。
25、根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果。
26、本专利技术提供了一种基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法及系统，在将五类轨迹规划问题转化为统一的最优控制问题的过程中，提出模式选择参数的概念，创新性地应用一个最优控制问题描述五类轨迹规划问题，通过设置模式选择参数的值来建立最优控制问题和不同轨迹规划问题之间的对应关系。对应这一个包含模式选择参数的最优控制问题只需要一种求解方法，就能够求解五类火箭轨迹规划问题，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，所述基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值，具体包括：
3.根据权利要求2所述的基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，所述基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值，还包括：
4.根据权利要求3所述的基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，所述基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值，还包括：
5.根据权利要求4所述的基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，所述基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值，还包括：
6.根据权利要求5所述的基于模式选择参
7.根据权利要求6所述的基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，所述根据误差函数、当前状态参数以及模式选择参数构建统一的最优控制问题模型，具体包括：
8.一种基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，所述基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值，具体包括：
3.根据权利要求2所述的基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，所述基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地点高度参考值，还包括：
4.根据权利要求3所述的基于模式选择参数的五合一火箭轨迹优化方法，其特征在于，所述基于标称轨迹分别计算五类轨迹规划问题对应的模式选择参数、动量矩向量参考值、拉普拉斯向量参考值以及近地...
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