[發明專利]一種基于牛頓迭代的火星探測器二次制動捕獲控制方法

有效

• 申請號: 202010120460.3
• 申請日: 2020-02-26
• 公開（公告）號: CN111414002B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 馮建軍;魯啟東;印興峰;施桂國;劉付成;姜麗輝
• 申請（專利權）人: 上海航天控制技術研究所
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 徐曉艷

本發明提供了一種基于牛頓迭代的火星探測器二次制動捕獲控制方法，捕獲制動期間火星探測器發生故障后，星上計算機復位，之后，采用基于牛頓迭代捕獲制動優化方法，對火星探測器進行二次制動，保證探測器在火星捕獲制動過程中能夠順利進入目標軌道，針對捕獲制動期間的故障，能夠自主設計二次捕獲制動策略。另外，還設置了捕獲制動的安全區間，包括制動捕獲的最短點火時長和最長點火時長，當星上時間在最短點火時長和最長點火時長區間內，速度增量達到標稱速度增量，或者星上時間達到最大點火時長，執行發動機關機操作，使火星探測器在制動捕獲時既能形成環火軌道又不會由于點火時間過長而撞擊到火星上，保證火星制動捕獲的安全性。

技術領域

本發明涉及一種基于牛頓迭代的火星探測器二次制動捕獲控制方法，尤其針對目標天體捕獲制動控制，提高捕獲制動過程的安全性，屬于地外天體探測軌道控制技術領域。

背景技術

針對我國2020年執行的自主火星探測，在火星捕獲制動過程中，探測器軌道參數變化較大，需要實現由火星雙曲線軌道變為火星橢圓軌道的兩種不同類型圓錐曲線的軌道轉變，如圖1所示。火星探測器捕獲制動是高風險事件，由于單程二十多分鐘的時延，地面測控無法實時測量和遙控，而且還存在減速制動的速度增量大，制動時間長和定軌精度差等不利因素，并且國外也曾多次發生過捕獲制動失敗的事件。

目前深空探測器在進行制動捕獲時，若出現故障則直接停止軌道軌控，在允許的條件下設計新軌道，幾年后再次執行制動捕獲，如日本的拂曉號金星探測器。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種基于牛頓迭代的二次捕獲制動優化算法，對制動捕獲期間的故障進行在軌診斷，若軌控期間發生故障星上計算機自主制動二次制動捕獲策略，重新建立制動捕獲姿態及計算制動捕獲點火時長，提高了制動捕獲的可靠性，提高地外天體探測捕獲制動階段的安全性。

本發明的技術解決方案是：一種基于牛頓迭代的火星探測器二次制動捕獲控制方法，捕獲制動期間火星探測器發生故障后，星上計算機復位，之后，采用基于牛頓迭代捕獲制動優化方法，對火星探測器進行二次制動，具體二次制動方法步驟如下：

(2.1)、將勻角速率、姿態指向、點火時長作為捕獲制動控制參數，根據預設的勻角速率初值α、姿態指向初值β、制動后出現故障時刻相對于制動發動機開機時刻的持續時間t，計算勻角速率迭代初始值α₀和姿態指向迭代初始值β₀；

勻角速率迭代初始值α₀為：α₀＝α；

姿態指向迭代初始值β₀為：β₀＝β+αt；

(2.2)、設置勻角速率迭代變量的初始變化值為Δα，設置姿態指向迭代變量的初始變化值為Δβ，計算二次捕獲勻角速率迭代變量偏差參數α₀′＝α₀+Δα，二次捕獲姿態指向迭代變量偏差參數β′₀＝β₀+Δβ；

(2.3)、將勻角速率迭代初始值α₀、姿態指向迭代初始值β₀、二次捕獲勻角速率迭代變量偏差參數α₀′，二次捕獲姿態指向迭代變量偏差參數β′₀分成三組，分別記為：第一參數組par1＝[α₀,β₀]、第二參數組par2＝[α₀′,β₀]和第三參數組par3＝[α₀,β₀′]；

(2.4)、將第一參數組、第二參數組、第三參數組分別代入二次捕獲制動動力學方程中對時間進行積分，終止條件為積分后的位置速度轉為軌道參數時得到的軌道偏心率達到目標軌道偏心率，求解得第一參數組、第二參數組、第三參數組對應的制動到目標軌道的點火時長dt1、dt2、dt3；