[發明專利]一種探月飛船跳躍式再入的在線參數辨識方法

有效

• 申請號: 201410019093.2
• 申請日: 2014-01-16
• 公開（公告）號: CN103708045A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 張洪波;羅宗富;曾亮;湯國建
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: B64G1/62
• 分類號: B64G1/62;B64G1/24
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強

1.一種探月飛船跳躍式再入的在線參數辨識方法，其特征在于，該方法為：

1）當探月飛船高度下降到H_max時，開始再入制導，設定大氣密度比例因子的初始估計值和飛船升阻比的初始估計值

2）從再入制導的第一個制導周期起始時刻t_1,1至一次再入躍起點時刻t_N,1的時間段內，在該時間段中的任一個制導周期起始時刻t_k,1，執行以下步驟：

2a）設當前時刻為t_k,1，測量得到t_k,1時刻探月飛船的視加速度根據慣性導航原理得到探月飛船t_k,1時刻的飛行高度H_k,1和高度變化率根據計算得到t_k,1時刻探月飛船阻力加速度的測量值D_{m_k,1}和升力加速度的測量值L_{m_k,1}，進而得到t_k,1時刻升阻比的測量值

2b）由阻力加速度的測量值D_{m_k,1}計算t_k,1時刻大氣密度的估計值ρ_{m_k,1}，根據探月飛船t_k,1時刻的水平高度H_k,1求出t_k,1時刻標稱大氣模型的大氣密度ρ_{0_k,1}，從而得到探月飛船t_k,1時刻的大氣密度比例因子

2c）濾除大氣密度比例因子和飛船升阻比的高頻噪聲，得到t_k,1時刻大氣密度比例因子的估計值和探月飛船升阻比的估計值

Kρ_est[k,1]=(1-Kgρ)Kρm_k,1+KgρKρ_est[k-1,1];]]>

(LD)est[k,1]=(1-KgLD)(LD)m_k,1+KgLD(LD)est[k-1,1];]]>

上式中，為t_k,1時刻的上一時刻t_k-1,1時刻大氣密度比例因子的估計值，的初始值為K_gρ為大氣密度濾波因子；為t_k-1,1時刻探月飛船升阻比的估計值，的初始值為K_gLD為升阻比濾波因子；

則t_k,1時刻的升阻比比例因子的計算公式為：

KLD_est[k,1]=(LD)est[k,1]/(LD)0[k,1]]]>

上式中，為t_k,1時刻對應的探月飛船的標稱升阻比，可由探月飛船上存儲的氣動系數獲得；

2d）存儲t_k,1時刻探月飛船的飛行高度H_k,1和大氣密度比例因子的估計值

2e）利用數值預測-校正制導方法進行制導，預測過程假定大氣密度比例因子和升阻比比例因子為常值，得到再入過程中升力加速度L_pre和阻力加速度D_pre的估計值；通過動力學積分，預報出探月飛船的飛行軌跡，進而修正落點偏差；在一次預測過程中，從當前時刻t_k,1到再入終止時刻內探月飛船的阻力加速度D_{pre_k+n}的計算公式為：

Dpre_k+n=Kρ_est[k,1]CD0_k+nρ0_k+nvk+n2S2m;]]>

上式中，m為探月飛船的質量；S為探月飛船參考面積；下標k+n表示自當前時刻t_k,1起之后的第n個制導周期，ρ_{0_k+n}為由標準大氣模型獲得的大氣密度，C_{D0_k+n}為由探月飛船上裝載的氣動數據獲得的氣動阻力系數，v_k+n為探月飛船的速度；在一次預測過程中，從當前t_k,1時刻到再入終止時刻內探月飛船的升力加速度L_{pre_k+n}的計算公式為：

Lpre_k+n=KLD_est[k,1]Kρ_est[k,1]CL0_k+nρ0_k+nvk+n2S2m;]]>

其中，C_{L0_k+n}為由探月飛船上存儲的氣動數據獲得的氣動升力系數；

2f）重復上述步驟2a）～2e），直到探月飛船的高度變化率為0，即探月飛船到達再入軌跡的躍起點，進入步驟3）；

3）記錄探月飛船在所述躍起點的高度H_min，根據上述步驟2e）中從再入制導的第一個制導周期起始時刻t_1,1至一次再入躍起點時刻t_N,1的時間段內存儲的探月飛船高度數據H和大氣密度比例因子估計值數據K_{ρ_est}，利用下式擬合高度H和大氣密度比例因子的估計值K_{ρ_est}之間的關系：

K_{ρ_est}=A·H；

其中

H=11...1H1,1H2,1HN,1H1,12H2,12HN,12H1,13H2,13...HN,13H1,14H2,14HN,14H1,15H2,15...HN,15;]]>

Kρ_est=[Kρ_est[1,1],Kρ_est[2,1],...,Kρ_est[N,1]];]]>

A=[a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅]，a₀～a₅為擬合系數，可根據最小二乘法解出

A=K_{ρ_est}·H^T(HH^T)^-1

4）設定一次再入上升段探月飛船升阻比的初始估計值為

5）在探月飛船的一次再入上升段，由第一個制導周期起始時刻t_1,2至探月飛船飛行高度到達H_max的時刻t_N,2的時間段內，在該時間段中的任一時刻t_k,2內，執行以下步驟：

5a）由慣導系統測量得到探月飛船的視加速度根據計算探月飛船阻力加速度的測量值D_{m_k,2}和升力加速度的測量值L_{m_k,2}，進而得到升阻比的測量值濾除升阻比測量值的高頻噪聲，得到探月飛船升阻比的估計值

(LD)est[k,2]=(1-KgLD)(LD)m_k,2+KgLD(LD)est[k-1,2]]]>

上式中，為t_k,2時刻的上一時刻t_k-1,2時刻探月飛船升阻比估計值，的初始值為K_gLD為升阻比濾波因子，為t_k,2時刻探月飛船升阻比測量值；則t_k,2時刻升阻比比例因子估計值為t_k,2時刻對應的探月飛船的標稱升阻比；

5b）利用下式求解t_k,2時刻大氣密度比例因子估計值

Kρ_est[k,2]=a0+a1Hk,2+a2Hk,22+a3Hk,23+a4Hk,24+a5Hk,25;]]>

H_k,2為t_k,2時刻探月飛船的飛行高度；當H_k>H_max時，忽略大氣影響；當H_k,2<H_min時，為探月飛船在一次再入躍起點高度為H_min處大氣密度比例因子的估計值；

5c）利用數值預測-校正制導方法，假定升阻比比例因子為常值，利用下式估計一次預測過程中從當前時刻到再入結束前的阻力加速度

Dpre_Hk=Kρ_estHkCD0_Hkρ0_HkvHk2S2m;]]>

為當前高度H_k下的氣動阻力系數，可由飛船上存儲的氣動數據獲得；為當前高度H_k處的大氣密度，可根據標準大氣模型計算得到；為探月飛船速度，可由導航系統提供；為當前高度H_k下的大氣密度比例因子的估計值；

利用下式估計一次預測過程中從當前時刻到再入結束前的升力加速度

Lpre_Hk=KLD_est[k,2]Kρ_estHkCL0_Hkρ0_HkvHk2S2m;]]>

為當前高度H_k處對應的氣動升力系數，可由飛船上存儲的氣動數據獲得；

將預估得到的探月飛船阻力加速度和升力加速度代入動力學方程中進行積分，得到預測的探月飛船飛行軌跡，并通過修正當前時刻的制導指令減小落點偏差；

6）當探月飛船躍起高度大于H_max時，制導系統停止工作；當探月飛船到達躍起段的最高點并再次下降到H_max后，二次再入制導段開始，在二次再入制導段初期，即探月飛船高度大于H_min時，制導系統按照步驟5）的流程工作；在二次再入制導段后期，即探月飛船高度小于H_min時，制導系統按照步驟2）的流程工作，直到探月飛船到達開傘點高度H_end。