[發明專利]一種推力下降故障下運載火箭上升段智能任務重構方法

在審

• 申請號: 202110769711.5
• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號: CN113485108A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 何驍;譚述君;吳志剛;張立勇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 蓋小靜

本發明公開了一種推力下降故障下運載火箭上升段智能任務重構方法，包括采用自適應配點法獲取最優救援軌道與其對應飛行軌跡；從所述最優救援軌道對應的飛行軌跡中提取最優軌跡，對所述最優軌跡按離散的飛行時間節點插值，產生“故障狀態?最優軌跡”數據集；采用最大最小法對數據集進行歸一化處理，通過正交最小二乘法選擇徑向基神經網絡數據中心，建立故障狀態到最優軌跡關系；將所述徑向基神經網絡遷移到火箭實際飛行中，該徑向基神經網絡在線決策出近似最優軌跡；利用決策出的所述近似最優軌跡為初始猜測值，采用自適應偽譜法在線求解得到最優救援軌道與飛行軌跡。本發明可在線同時優化救援軌道和其對應的飛行軌跡，并且節省了計算時間。

技術領域

本發明涉及故障下運載火箭救援技術領域，具體涉及一種推力下降故障下運載火箭上升段智能任務重構方法。

背景技術

發動機作為火箭動力裝置，是全箭飛行可靠性及安全性的決定因素。在實際飛行任務中，運載火箭發動機故障等原因易造成推力下降，如果繼續沿用標稱彈道條件下的制導控制方案將難以完成任務，會導致飛行任務失敗。

為了解決運載火箭因推力下降故障而墜毀的問題，需要研究一種在線任務重構方法，或叫飛行任務降級方法，來優化最優救援軌道和其對應的飛行軌跡。與傳統目標軌道已知的軌跡優化問題不同，在線任務重構是一個救援軌道和飛行軌跡的聯合優化問題。

發明內容

為了避免運載火箭推力下降故障引起發射任務失敗，提出了一種基于軌跡決策的在線任務重構方法，可在線同時優化救援軌道和其對應的飛行軌跡。

為實現上述目的，本申請的技術方案為：一種推力下降故障下運載火箭上升段智能任務重構方法，包括

離線遍歷大量的推力下降故障狀態，構建任務重構問題，使用凸優化方法對所述任務重構問題求解近似軌跡，以所述近似軌跡作為初值，采用自適應配點法獲取最優救援軌道與其對應飛行軌跡；

從所述最優救援軌道對應的飛行軌跡中提取最優軌跡，對所述最優軌跡按離散的飛行時間節點插值，產生“故障狀態-最優軌跡”數據集；

采用最大最小法對數據集進行歸一化處理，將所有數據規范化到[-1,1]之間，通過正交最小二乘法選擇徑向基神經網絡數據中心，其中徑向基函數為高斯基函數，離線訓練所述徑向基神經網絡，從而建立故障狀態到最優軌跡關系；

將所述徑向基神經網絡遷移到火箭實際飛行中，以飛行的故障狀態作為輸入，該徑向基神經網絡在線決策出近似最優軌跡；利用決策出的所述近似最優軌跡為初始猜測值，采用自適應偽譜法在線求解得到最優救援軌道與飛行軌跡。

進一步的，所述數據集的輸入特征是故障狀態，該故障狀態包括推力故障的時刻、推力下降的大小、位置、速度和質量；所述數據集的輸出特征是狀態變量序列、控制變量序列。

進一步的，構建任務重構問題，具體為：

設X₁軸在赤道平面內指向發射時刻本初子午線方向，Z₁軸垂直赤道平面指向北極，Y₁軸滿足右手定則，在地心慣性坐標系中建立火箭的上升段二級飛行動力學方程如下：

式中r，v分別為運載火箭的位置、速度向量，為r的一階導數，為v的一階導數；μ＝GM為地球引力常數，G為引力常量，M為地球質量；m為火箭的總質量，為m的一階導數，I_sp為火箭的發動機比沖；u＝[u_x,u_y,u_z]^T為發動機的推力單位矢量分量；當發動機發生故障，推力下降的比例是η，推力大小是(1-η)T_nom，T_nom是發動機標稱推力；g₀為重力加速度；