[發明專利]一種小天體著陸定推力軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 201910579984.6
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110239744B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 秦同;喬棟;李翔宇
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的小天體著陸定推力軌跡跟蹤控制方法，屬于深空探測技術領域。本發明實現方法為：基于多項式加速度預設滿足終端位置和速度約束的著陸標稱軌跡，根據探測器當前時刻的實際軌跡與著陸標稱軌跡之差計算當前時刻需要的速度增量，根據發動機推力大小與當前時刻速度增量計算各方向推力發動機的開機時長，并在單個控制周期內施加相應時長的控制力，獲得需要的速度增量，實現單個控制周期內探測器對標稱軌跡的跟蹤控制；在每個控制周期內利用定推力控制方法實現對應的單個控制周期內探測器對標稱軌跡的跟蹤控制，完成多個控制周期跟蹤控制后，既能夠使得著陸器從繞飛軌道到達目標采樣點，且到達目標采樣點時的速度滿足任務給定的約束要求。

技術領域

本發明涉及一種小天體著陸的定推力軌跡控制方法，屬于深空探測技術領域。

背景技術

小天體著陸采樣任務具有較高的科學回報，是目前小天體探測的主要形式?？刂铺綔y器從小天體繞飛軌道到達任務預定的目標采樣點是完成探測任務的核心技術。為保證控制過程的可靠性，小天體著陸過程通常采用工作原理相對簡單、可靠性較強的定推力發動機實現軌跡控制。然而，著陸任務要求探測器能夠精確到達目標采樣點，且對到達目標采樣點時的速度值也有確定的要求，能夠滿足上述要求的控制方法一般基于變推力發動機，即在不同時刻施加不同大小的推力，以實現著陸終端位置和速度約束下的著陸采樣。此外，小天體著陸過程時間短，探測器距離地球遙遠，無法依靠地面支持獲得控制指令。因此，要求控制方法計算量少，適合探測器自主解算。

發明內容

本發明公開的小天體著陸定推力軌跡跟蹤控制方法要解決的技術問題為：在探測器發動機推力固定的條件下，利用定推力控制方法，使得著陸器能夠從繞飛軌道到達目標采樣點，且到達目標采樣點時的速度滿足任務給定的約束要求。此外，由于定推力控制方法具有解析的顯式表達式，能夠減少探測器解算時間，滿足探測器控制實時性要求。本發明能夠為小天體著陸采樣任務提供技術支持和參考，并解決相關工程問題。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明公開的小天體著陸定推力軌跡跟蹤控制方法，基于多項式加速度預設滿足終端位置和速度約束的著陸標稱軌跡，根據探測器當前時刻的實際軌跡與著陸標稱軌跡之差計算當前時刻需要的速度增量，根據發動機推力大小與當前時刻速度增量計算各方向推力發動機的開機時長，并在單個控制周期內施加相應時長的控制力，獲得需要的速度增量，實現單個控制周期內探測器對標稱軌跡的跟蹤控制。在每個控制周期內利用定推力控制方法實現對應的單個控制周期內探測器對標稱軌跡的跟蹤控制，完成多個控制周期跟蹤控制后，既能夠使得著陸器從繞飛軌道到達目標采樣點，且到達目標采樣點時的速度滿足任務給定的約束要求。

本發明公開的小天體著陸定推力軌跡跟蹤控制方法，包括如下步驟：

步驟1：基于多項式加速度預設滿足終端位置和速度約束的著陸標稱軌跡。

將標稱軌跡在不同時刻的加速度設為著陸時間的一次多項式，如式(1)所示。

a＝c₀+c₁t (1)

式中，a為加速度矢量，c₀，c₁為多項式系數，t為著陸時間。將式(1)進行一次積分與兩次積分，分別得到標稱軌跡的速度與位置隨時間的變化關系，如式(2)、(3)所示。

式中，r、v為探測器標稱軌跡的位置與速度矢量，r₀、v₀為探測器標稱軌跡的初始位置與速度矢量，由任務設計獲得，在此視為已知量。

著陸終端時刻為t_f，終端時刻的位置與速度矢量分別為r_f、v_f，代入式(2)、(3)能夠解算得到滿足終端位置速度約束的多項式系數，如式(4)、(5)所示。