[發(fā)明專利]一種月面基地發(fā)射低軌道環(huán)月飛行器燃耗最省控制方法

有效

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• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN112109921B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發(fā)明（設計）人: 韓艷鏵;洪軍停;張勇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64G1/00
• 分類號: B64G1/00;B64G1/10;B64G1/40;G06F17/11;G06F17/13;G06F17/15
• 代理公司: 北京艾皮專利代理有限公司 11777
• 代理人: 姜宇

一種月面基地發(fā)射低軌道環(huán)月飛行器燃耗最省控制方法，屬于深空探測飛行器最優(yōu)控制技術領域，采用基于龐特里亞金極小值原理的間接法和一維數(shù)值搜索的直接法相結合的混合法，以達到準確入軌的同時，最大限度節(jié)省燃料消耗，以減輕飛行器結構重量，增加有荷載荷，提高航天發(fā)射和空間活動的效益。本發(fā)明給出的方法結合了間接法和直接法的優(yōu)點：通過間接法將問題轉化為單自由度單參數(shù)搜索問題，通過直接法具體求解，可以保證月面基地發(fā)射低軌環(huán)月軌道飛行器最省燃耗控制的全局最優(yōu)性、求解過程的快速性、控制方法在工程實施上的簡便可行性。

技術領域

本發(fā)明屬于深空探測飛行器最優(yōu)控制技術領域，具體為一種月面基地發(fā)射低軌道環(huán)月飛行器染好最省控制方法。

背景技術

在月面基地發(fā)射環(huán)月軌道飛行器對于月球探測工程，以及實現(xiàn)我國月球探測“繞-落-回”三步走的第三步具有重要意義。對飛行器升空入軌過程的控制規(guī)律和相應的軌跡進行優(yōu)化，最大限度節(jié)省燃耗，可以減輕飛行器結構重量、擴大飛行航程、擴展任務范圍，在航天工程中歷來都是備受重視的關鍵技術。截止現(xiàn)在，還未發(fā)現(xiàn)有專門論述月面基地發(fā)射環(huán)月軌道飛行器最優(yōu)控制方法和技術的文獻資料。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是給出一種月面基地發(fā)射低軌道環(huán)月飛行器燃耗最省控制方法，以達到準確入軌的同時，最大限度節(jié)省燃料消耗，以減輕飛行器結構重量，增加有荷載荷，提高航天發(fā)射和空間活動的效益。為實現(xiàn)上述目的采用如下技術方案：

一種月面基地發(fā)射低軌道環(huán)月飛行器燃耗最省控制方法，具體包括以下步驟：

月面發(fā)射低軌道環(huán)月飛行器的上升轉彎入軌段，飛行器的飛行高度和縱程比起月球半徑是小量，在設計算法時，將月面視為平面，月球引力場為均勻重力場，將發(fā)射階段的飛行器飛行力學方程簡化為下式：

其中x,y分別是飛行器的飛行縱程和飛行高度，v_x,v_y分別是其速度的水平和豎向分量；P,η分別是火箭發(fā)動機推力大小和方向角；m是飛行器即時質量；I_s是燃料的比沖；g是月表重力加速度；

其中控制目標是在某一時刻t_f，飛行器滿足入軌的飛行高度和速度條件，即：

{y(t_f)＝y(tǒng)^*,v_x(t_f)＝v^*,v_y(t_f)＝0 (2)

性能指標是燃耗最省，即J＝-m(t_f)最??；

火箭發(fā)動機推力大小受限，即：

0≤P≤P_max (3)

則概括為標準的最優(yōu)控制問題如下：

min J＝-m(t_f)

s.t. (4)

其中m₀表示飛行器發(fā)射前的總質量，其中包含飛行器自重和燃料質量，y^*表示目標軌道相距月面的高度，v^*表示入軌水平速度，P_max表示火箭發(fā)動機的最大推力；

引入哈密頓函數(shù)：

利用龐特里亞金極小值原理所導出的一般最優(yōu)控制必要條件：

經解析推導，得出以下重要結論：

(1)最優(yōu)推力是開關函數(shù)，且至多切換一次；