一种多约束下着陆器转移能力确定方法

摘要

本发明公开的一种多约束下着陆器转移能力确定方法，涉及一种下降段转移能力确定方法，属于深空探测技术领域。本发明的方法根据着陆器的初始状态计算着陆时间上限和着陆时间下限，并根据着陆器反冲发动机的推力范围建立推力约束处理方式，通过循环搜索的方式确定着陆器满足燃料约束、推力约束、边界条件约束以及路径约束时的转移能力，获得在四个约束下的转移能力对制导控制领域工程任务具有指导意义，例如：可通过着陆器的转移能力判断着陆器能否从动力下降段初始位置安全着陆到预定的目标点；在设计着陆器时根据对转移能力的需求确定着陆器所携带的燃料；在设计着陆器时根据对转移能力的需求确定着陆器上的反推发动机的推力范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种下降段转移能力确定方法，尤其涉及一种多约束下火星着陆 器动力下降段转移能力确定方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

转移能力即为着陆器在动力下降段能够飞行的最大水平距离。动力下降段 是火星软着陆的最终阶段，转移能力直接影响着陆器能否到达预定着陆点。由 于动力下降段开始时刻着陆器的剩余燃料有限，动力下降段发动机的推力幅值 有限，着陆器飞到预定目标点时要满足软着陆(到达目标点的同时速度减为零) 要求，且飞行过程中要始终保持飞行轨迹位于地表以上，因此着陆器的转移能 力受以上多个条件的限制。在此，将上述四个限制条件归结为燃料约束、推力 约束、边界条件约束以及路径约束。

此外，着陆器在动力下降段采用的制导律也与转移能力有关系。目前在火星 着陆任务中应用过的满足定点软着陆的制导律为二阶多项式制导律，其具有形 式简单，计算简便的特点，是适合目前火星着陆任务的动力下降段制导律。因 此，确定着陆器采用二阶多项式制导律时，在四个约束下的转移能力对工程任 务具有指导意义。

发明内容

本发明公开的一种多约束下着陆器转移能力确定方法，要解决的技术问题 是获得着陆器采用二阶多项式制导律时在多个约束下的转移能力，所述的多约 束指燃料约束、推力约束、边界条件约束以及路径约束。获得在四个约束下的 转移能力对制导控制领域工程任务具有指导意义。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种多约束下着陆器转移能力确定方法，根据着陆器的初始 状态计算着陆时间上限和着陆时间下限，并根据着陆器反冲发动机的推力范围 建立推力约束处理方式，通过循环搜索的方式确定着陆器满足燃料约束、推力 约束、边界条件约束以及路径约束时的转移能力，获得在四个约束下的转移能 力对制导控制领域工程任务具有指导意义。例如：可通过着陆器的转移能力判 断着陆器能否从动力下降段初始位置安全着陆到预定的目标点；在设计着陆器 时根据对转移能力的需求确定着陆器所携带的燃料；在设计着陆器时根据对转 移能力的需求确定着陆器上的反推发动机的推力范围。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种多约束下着陆器转移能力确定方法，具体包括如下步骤：

步骤1：根据着陆器的初始状态计算着陆时间上限。

当着陆器的初始高度和竖直速度确定后，为满足路径约束，着陆时间t_f需满 足如下要求：

$t_f<-3\frac{z^0}{v_z^0}---\left(1\right)$

式中，z⁰为着陆器的初始高度，为着陆器竖直方向的初始速度。记着陆时间t_f的上限为ULT。当着陆器的推力不受限制时，只要着陆时间满足式(1)，就可以 保证着陆轨迹始终位于火星表面以上，满足路径约束。实际任务中，着陆器的 推力在一定范围内，实际推力可能无法满足控制加速度的需求，因此着陆时间 首先要满足式(1)，在此基础上，还需要通过着陆模拟仿真检验着陆过程是否满 足路径约束，即根据着陆器的初始状态，采用二阶多项式制导律，计算出着陆 轨迹，检验轨迹是否满足边界条件约束和路径约束。

步骤2：根据着陆器的初始状态，通过着陆模拟仿真确定着陆时间下限。

根据工程经验，火星着陆动力下降段的着陆时间一般大于10s。在10s与着 陆时间上限ULT之间，以1s为时间间隔，针对每个着陆时间t_f和一组初始高度、 速度及水平转移距离，进行一次着陆模拟仿真，并记录着陆过程所需的燃耗， 确定燃耗最省的着陆过程对应的着陆时间，该着陆时间即为计算转移能力时的 着陆时间下限，记为FOT。在确定转移能力的过程中，直接从着陆时间下限FOT 开始设置着陆时间，而不必从10s开始设置。因为过短的着陆时间对着陆器的减 速能力要求过高，发动机推力无法满足要求，无法实现快速减速着陆。而且着 陆时间下限FOT也是燃耗最优时间，从FOT开始设置着陆时间，能够最大程度 地节约燃料，实现更大的转移能力。

步骤3：根据着陆器反推发动机的推力大小确定推力约束的表达式。

着陆发动机产生的推力最大值为T_max，当通过制导律求得的控制力超过发动 机最大推力时，着陆器产生的推力为T_max。实际产生的推力矢量可用式(2)表示：

$T_o=\left(\begin{array}{cc}{T}_c\frac{T_{\max }}{\left|\right|T_c\left|\right|},& if\left|\right|T_c\left|\right|>T_{max}\\ T_c,& if\left|\right|T_c\left|\right|<T_{max}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，T_o为发动机实际输出的推力矢量，T_c为通过制导律计算的着陆所需的推 力矢量，||T_c||表示推力矢量的模，即推力大小。

步骤4：通过循环搜索的方式确定着陆器满足燃料约束、推力约束、边界条 件约束以及路径约束时的转移能力。

对于某一初始高度和竖直速度，假设水平转移距离为零，对应该组初始高 度、速度和水平转移距离的着陆时间下限FOT，进行着陆模拟仿真，先检验着 陆是否满足定点软着陆，若不满足，则表示着陆时间太短，对着陆器反推发动 机的推力大小||T_c||要求过高，需要增加着陆时间t_f。在满足定点软着陆需求后， 需进一步检验着陆所需燃料是否少于动力下降段的初始燃料，若满足，说明着 陆器还有足够的燃料实现更大距离的转移，增大转移距离，继续上述过程，直 至着陆时间达到了着陆时间上限ULT或者所需的燃料超过了剩余燃料，此时的 转移距离为着陆器在这一初始高度和速度下满足燃料约束、推力约束、边界条 件约束以及路径约束时的最大水平转移距离，即着陆器在这一初始高度和速度 下满足燃料约束、推力约束、边界条件约束以及路径约束时的转移能力。

步骤5：获得在四个约束下的转移能力对制导控制领域工程任务具有指导意 义，例如：可通过着陆器的转移能力判断着陆器能否从动力下降段初始位置安 全着陆到预定的目标点；在设计着陆器时根据对转移能力的需求确定着陆器所 携带的燃料；在设计着陆器时根据对转移能力的需求确定着陆器上的反推发动 机的推力范围。

有益效果：

1、本发明公开的一种多约束下着陆器转移能力确定方法，能够获得着陆器 不同初始状态下满足燃料约束、推力约束、边界条件约束以及路径约束条件下 的转移能力。

2、本发明公开的一种多约束下着陆器转移能力确定方法，根据着陆器在动 力下降段初始时刻的状态，确定着陆器在满足燃料约束、推力约束、边界条件 约束以及路径约束条件下的转移能力，对制导控制领域工程任务具有指导意义， 例如：可通过着陆器的转移能力判断着陆器能否从动力下降段初始位置安全着 陆到预定的目标点；在设计着陆器时根据对转移能力的需求确定着陆器所携带 的燃料；在设计着陆器时根据对转移能力的需求确定着陆器上的反推发动机的 推力范围。

附图说明

图1为本发明公开的一种多约束下着陆器转移能力确定方法的流程图。

图2为通过循环搜索的方式确定着陆器满足燃料约束、推力约束、边界条 件约束以及路径约束条件下的转移能力的流程图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进 一步说明。

本实例中，着陆发动机的最大推力为32KN，着陆器质量为1905kg，携带 380kg燃料，着陆器的初始高度为2000m，初始速度为-100m/s，符号表示方向 竖直向下。

步骤1：根据着陆器的初始状态计算着陆时间上限

当着陆器的初始高度和竖直速度确定后，为满足路径约束，着陆时间t_f需满 足如下要求：

$t_f<-3\frac{z^0}{v_z^0}=-3\frac{2000m}{100m/s}=60s---\left(3\right)$

式中，z⁰为着陆器的初始高度，为着陆器竖直方向的初始速度。假如着陆器 的推力不受限制，只要着陆时间小于60s，就可以保证着陆轨迹始终位于火星表 面以上，满足路径约束。实际任务中，着陆器的推力在一定范围内，实际推力 可能无法满足控制加速度的需求，因此着陆时间首先要满足式(3)，在此基础上， 还需要通过着陆模拟仿真检验着陆过程是否满足路径约束，即根据着陆器的初 始状态，采用二阶多项式制导律，计算出着陆轨迹，检验轨迹是否满足边界条 件约束和路径约束。

步骤2：根据着陆器的初始状态，通过着陆模拟仿真确定着陆时间下限。

根据工程经验，火星着陆动力下降段的着陆时间一般大于10s。在10s与着 陆时间上限ULT之间，以1s为时间间隔，针对每个着陆时间和一组初始高度、 速度及水平转移距离，进行一次着陆模拟仿真，并记录着陆过程所需的燃耗， 确定燃耗最省的着陆过程对应的着陆时间，该着陆时间即为计算转移能力时的 着陆时间下限，记为FOT。在确定转移能力的过程中，直接从着陆时间下限FOT 开始设置着陆时间，而不必从10s开始设置。因为过短的着陆时间对着陆器的减 速能力要求过高，发动机推力无法满足要求，无法实现快速减速着陆。而且着 陆时间下限FOT也为燃耗最优时间，从FOT开始设置着陆时间，能够最大程度 地节约燃料，实现更大的转移能力。

步骤3：根据着陆器反推发动机的推力大小确定推力约束的表达式。

着陆发动机产生的推力最大值为T_max＝32KN，当通过制导律求得的控制力 超过发动机最大推力时，着陆器产生的推力为32KN。实际产生的推力矢量可用 式(4)表示

$T_o=\left(\begin{array}{cc}{T}_c\frac{T_{\max }}{\left|\right|T_c\left|\right|},& if\left|\right|T_c\left|\right|>32KN\\ T_c,& if\left|\right|T_c\left|\right|<32KN\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中，式中，T_o为发动机实际输出的推力矢量，T_c为通过制导律计算的着陆所 需的推力矢量，||T_c||表示推力矢量的模，即推力大小。

步骤4：通过循环搜索的方式确定着陆器满足燃料约束、推力约束、边界条 件约束以及路径约束时的转移能力。

对于初始高度2000m、速度-100m/s，先假定一个水平转移距离(一般设为 零)，对应该组初始高度、速度和水平转移距离的着陆时间下限FOT，进行着陆 模拟仿真，先检验着陆是否满足定点软着陆，若不满足，则表示着陆时间太短， 对着陆器反推发动机的推力大小||T_c||要求过高，需要增加着陆时间t_f。在满足定 点软着陆需求后，需进一步检验着陆所需燃料是否少于动力下降段的初始燃料， 若满足，说明着陆器还有足够的燃料实现更大距离的转移，增大转移距离，继 续上述过程，直至着陆时间达到了着陆时间上限ULT或者所需的燃料超过了剩 余燃料，此时的转移距离为着陆器在这一初始高度和速度下满足燃料约束、推 力约束、边界条件约束以及路径约束时的最大水平转移距离，即着陆器在这一 初始高度和速度下满足燃料约束、推力约束、边界条件约束以及路径约束时的 转移能力。

步骤5：获得在四个约束下的转移能力对制导控制领域工程任务具有指导意 义，例如：可通过着陆器的转移能力判断着陆器能否从动力下降段初始位置安 全着陆到预定的目标点；在设计着陆器时根据对转移能力的需求确定着陆器所 携带的燃料；在设计着陆器时根据对转移能力的需求确定着陆器上的反推发动 机的推力范围。

本发明保护范围不仅局限于实施例，实施例用于解释本发明，凡与本发明 在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。