CN108279011B - 行星探测着陆轨迹综合优化方法 - Google Patents

行星探测着陆轨迹综合优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108279011B
CN108279011B CN201810088128.6A CN201810088128A CN108279011B CN 108279011 B CN108279011 B CN 108279011B CN 201810088128 A CN201810088128 A CN 201810088128A CN 108279011 B CN108279011 B CN 108279011B
Authority
CN
China
Prior art keywords
planet
detector
landing
obstacle
uncertainty
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810088128.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108279011A (zh
Inventor
崔平远
袁旭
朱圣英
徐瑞
于正湜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN201810088128.6A priority Critical patent/CN108279011B/zh
Publication of CN108279011A publication Critical patent/CN108279011A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108279011B publication Critical patent/CN108279011B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/24—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 specially adapted for cosmonautical navigation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
    • G06Q10/047—Optimisation of routes or paths, e.g. travelling salesman problem

Abstract

本发明公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法，涉及行星着陆轨迹优化方法，属于深空探测领域。本发明实现方法为：建立探测器着陆动力学方程；计算探测器与行星表面障碍的碰撞概率；兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，构建行星探测着陆轨迹综合优化问题；求解所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题，兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，完成行星探测着陆轨迹综合优化，实现安全精确着陆。此外，在碰撞概率计算中，对存在不确定性条件下障碍对探测器的威胁程度的描述更为准确；通过对碰撞概率公式简化，在保证精度的前提下降低计算量，提高优化速度。

Description

行星探测着陆轨迹综合优化方法
技术领域
本发明涉及一种行星着陆轨迹优化方法，尤其涉及行星探测着陆轨迹综合优化方法，属于深空探测领域。
背景技术
行星表面着陆是行星探测的重要形式，是深空探测领域的研究热点。其中，行星探测着陆轨迹优化技术是实现行星表面着陆的关键技术，关系探测任务的成败。为实现安全、精确软着陆，行星探测最优着陆轨迹需满足初始、终端状态约束、控制约束、安全约束等多重约束，同时使燃耗等性能指标达到最优。
行星着陆动力学及环境不确定性较大，且表面存在大量的岩石、斜坡、山丘等，对行星探测器的安全构成直接威胁。因此，在行星探测着陆轨迹优化设计中，需考虑不确定性及行星表面障碍对着陆轨迹的影响。在着陆轨迹优化设计中同时考虑燃耗性能、障碍规避约束和不确定性影响，得到兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件的安全、精确着陆轨迹，是行星探测着陆轨迹优化方法需要进一步改进的技术问题。
发明内容
本发明公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法要解决的技术问题是：兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，进行行星探测着陆轨迹综合优化，实现安全精确着陆，且具有优化效率高的优点。
所述的不确定性包括探测器状态、行星着陆动力学、行星表面障碍物理特征不确定性。所述的行星表面障碍物理特征包括位置和尺寸。
本发明的目的是通过以下方法实现的。
本发明公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法，建立探测器着陆动力学方程；计算探测器与行星表面障碍的碰撞概率；兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，构建行星探测着陆轨迹综合优化问题；求解所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题，兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，完成行星探测着陆轨迹综合优化，实现安全精确着陆。
由于优化指标同时考虑了燃耗性能和探测器与行星表面障碍碰撞的概率，得到的最优着陆轨迹及相应的控制变量能够满足行星探测着陆的各项约束条件，并在存在不确定性的条件下对行星表面障碍进行规避，既能保证探测器安全精确着陆，又能降低探测器的燃料消耗。
本发明公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法，包括如下步骤：
步骤一、建立探测器着陆动力学方程。
定义天体固联坐标系Σa：原点Oa位于天体质心，za轴与天体最大惯量轴即自转轴重合，xa与ya轴分别与最小和中间惯量轴重合，xa，ya，za三轴满足右手法则。
在天体固联坐标系下建立行星探测器着陆动力学方程：
Figure BDA0001562962450000021
其中r＝[x,y,z]T为探测器在天体固联坐标系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T为探测器的速度矢量，m为探测器质量，ω＝[0,0,ω]T为天体自旋角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T为探测器受到的天体引力加速度，T为探测器施加的推力矢量，Isp为推力器比冲，g0为海平面标准引力加速度。所述探测器施加的推力矢量T即为控制变量。
步骤二、计算探测器与行星表面障碍的碰撞概率。
综合考虑行星表面障碍的物理特征及其不确定性，以半球形的障碍区描述行星表面障碍。障碍的位置以障碍区中心即半球的球心位置rc表示，障碍的大小以障碍区半径即半球半径R表示。
以高斯分布描述探测器的实际位置r的分布。探测器在天体固联坐标系下的位置名义值即均值为
Figure BDA0001562962450000022
相应的误差协方差矩阵为C。则探测器实际处于障碍区的概率，即与行星表面障碍的碰撞概率为：
Figure BDA0001562962450000031
积分区域即为行星表面的障碍区。
相比于名义位置r，探测器处于障碍区的概率密度比较均匀，则将障碍区内各点的概率密度视为近似相等，以对式(2)进行简化，避免积分运算，减小计算量。将探测器在障碍区内各点的概率密度近似为探测器处于障碍中心rc处的概率密度，则式(2)化简为：
Figure BDA0001562962450000032
其中
Figure BDA0001562962450000033
为半球形障碍区的体积。
当着陆区附近存在多个障碍时，探测器与所述障碍的碰撞概率pc为探测器与每个障碍碰撞概率的加和，即：
Figure BDA0001562962450000034
其中k为障碍数量。
由于在碰撞概率pc的计算中，通过引入探测器位置误差的协方差矩阵C考虑探测器位置的不确定性信息，因此在存在不确定性条件下障碍对探测器的威胁程度的描述更为准确。通过合理近似，对公式(2)进行简化，在保证精度的前提下降低碰撞概率pc的计算量，提高优化速度。
步骤三、兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，构建行星探测着陆轨迹综合优化问题。
由于步骤二中碰撞概率pc的计算需探测器位置误差协方差矩阵C，因此需对原动力学方程(1)中的状态进行扩展。扩展后的状态变量为X＝[r v m P]T，其中P为原动力学方程(1)中状态变量Xo＝[r v m]T的误差协方差矩阵。步骤二中的探测器位置误差协方差矩阵C为矩阵P的左上角3×3部分。以高斯白噪声描述行星探测器着陆动力学方程(1)的过程噪声w，原动力学方程(1)的随机状态方程表示为：
Figure BDA0001562962450000041
状态扩展后的行星探测器着陆动力学方程为：
Figure BDA0001562962450000042
其中G为原探测器着陆动力学方程(1)在名义状态下的雅克比矩阵：
Figure BDA0001562962450000043
Q为过程噪声w的谱密度，满足：
E(w(t)wT(τ))＝Q(t)δ(t-τ) (8)
其中δ(t-τ)为表示时间τ处脉冲的狄拉克函数。
状态扩展后，行星着陆轨迹优化问题的初始约束条件为：
Figure BDA0001562962450000044
终端约束条件为：
Figure BDA0001562962450000045
其中，mdry为探测器干重，t0和tf分别为初始和终端时刻。控制约束为：
T||≤Tmax (11)
优化指标为：
J0＝-m(tf) (12)
Figure BDA0001562962450000046
Figure BDA0001562962450000051
其中c1为权重系数。式(12)考虑了燃耗性能指标；式(13)兼顾行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，考虑了探测器与行星表面障碍碰撞的概率指标，式(14)为考虑了式(12)、(13)的综合优化指标，通过上述优化指标既能够保证探测器安全，又能降低探测器的燃料消耗。
优化指标式(14)、动力学约束式(6)、初始与终端条件约束式(9)、式(10)、控制约束式(11)，共同构成兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件下的行星探测着陆轨迹综合优化问题。
步骤四、求解步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题，兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，完成行星探测着陆轨迹综合优化，实现探测器安全精确着陆。
步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题为连续的最优控制问题。求解步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题需将该问题转化为离散的非线性规划问题，利用非线性规划求解器进行求解，得到兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件的行星探测最优着陆轨迹及相应的控制变量，完成行星探测着陆轨迹综合优化，实现安全精确着陆。
将行星探测着陆轨迹综合优化问题转化为离散的非线性规划问题优选伪谱法。
有益效果
1、本发明公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法，在步骤二的碰撞概率pc的计算中，通过引入探测器位置误差的协方差矩阵C考虑探测器位置的不确定性信息，因此对存在不确定性条件下障碍对探测器的威胁程度的描述更为准确。通过对公式(2)进行简化，在保证精度的前提下降低碰撞概率pc的计算量，提高优化速度。步骤三的优化指标同时考虑了燃耗性能和探测器与行星表面障碍碰撞的概率，得到的最优着陆轨迹及相应的控制变量能够满足行星探测着陆的各项约束条件，并对行星表面障碍进行规避，既能保证探测器安全精确着陆，又能降低探测器的燃料消耗，还能提高优化速度。
2、本发明公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法，通过引入原动力学方程(1)中状态的误差协方差矩阵P，对原状态变量进行扩展得到扩展状态后的含有过程噪声的动力学方程，并利用探测器位置误差协方差矩阵C计算探测器行星表面障碍的碰撞概率，定量描述存在不确定性条件下行星表面障碍对探测器的安全威胁，兼顾行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，实现探测器安全精确着陆。
3、本发明公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法，在优化指标中同时考虑了燃耗指标和碰撞概率指标，兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，实现探测器安全精确着陆。
附图说明
图1为本发明行星探测着陆轨迹综合优化方法的流程图；
图2为探测器三轴位置变化曲线；
图3为探测器三轴速度变化曲线；
图4为探测器质量变化曲线；
图5为探测器三轴推力变化曲线；
图6为探测器推力合力大小变化曲线；
图7为探测器着陆轨迹。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法，具体实现步骤如下：
步骤一、建立探测器着陆动力学方程。
定义天体固联坐标系Σa：原点Oa位于天体质心，za轴与天体最大惯量轴即自转轴重合，xa与ya轴分别与最小和中间惯量轴重合，xa，ya，za三轴满足右手法则。
在天体固联坐标系下建立行星探测器着陆动力学方程：
Figure BDA0001562962450000071
其中r＝[x,y,z]T为探测器在天体固联坐标系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T为探测器的速度矢量，m为探测器质量，ω＝[0,0,ω]T为天体自旋角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T为探测器受到的天体引力加速度，T为探测器施加的推力矢量，Isp为推力器比冲，g0为海平面标准引力加速度。所述探测器施加的推力矢量T即为控制变量。
步骤二、计算探测器与行星表面障碍的碰撞概率。
综合考虑行星表面障碍的物理特征及其不确定性，以半球形的障碍区描述行星表面障碍。障碍的位置以障碍区中心即半球的球心位置rc表示，障碍的大小以障碍区半径即半球半径R表示。
以高斯分布描述探测器的实际位置r的分布。探测器在天体固联坐标系下的位置名义值即均值为
Figure BDA0001562962450000072
相应的误差协方差矩阵为C。则探测器实际处于障碍区的概率，即与行星表面障碍的碰撞概率为：
Figure BDA0001562962450000073
积分区域即为行星表面的障碍区。
相比于名义位置
Figure BDA0001562962450000074
探测器处于障碍区的概率密度比较均匀，则将障碍区内各点的概率密度视为近似相等，以对式(2)进行简化，避免积分运算，减小计算量。将探测器在障碍区内各点的概率密度近似为探测器处于障碍中心rc处的概率密度，则式(2)化简为：
Figure BDA0001562962450000075
其中
Figure BDA0001562962450000081
为半球形障碍区的体积。
当着陆区附近存在多个障碍时，探测器与所述障碍的碰撞概率pc为探测器与每个障碍碰撞概率的加和，即：
Figure BDA0001562962450000082
其中k为障碍数量。
由于在碰撞概率pc的计算中，通过引入探测器位置误差的协方差矩阵C考虑探测器位置的不确定性信息，因此在存在不确定性条件下障碍对探测器的威胁程度的描述更为准确。通过合理近似，对公式(2)进行简化，在保证精度的前提下降低碰撞概率pc的计算量，提高优化速度。
步骤三、兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，构建行星探测着陆轨迹综合优化问题。
由于步骤二中碰撞概率pc的计算需探测器位置误差协方差矩阵C，因此需对原动力学方程(1)中的状态进行扩展。扩展后的状态变量为X＝[r v m P]T，其中P为原动力学方程(1)中状态变量Xo＝[r v m]T的误差协方差矩阵。步骤二中的探测器位置误差协方差矩阵C为矩阵P的左上角3×3部分。以高斯白噪声描述行星探测器着陆动力学方程(1)的过程噪声w，原动力学方程(1)的随机状态方程表示为：
Figure BDA0001562962450000083
状态扩展后的行星探测器着陆动力学方程为：
Figure BDA0001562962450000084
其中G为原探测器着陆动力学方程(1)在名义状态下的雅克比矩阵：
Figure BDA0001562962450000085
Q为过程噪声w的谱密度，满足：
E(w(t)wT(τ))＝Q(t)δ(t-τ)
其中δ(t-τ)为表示时间τ处脉冲的狄拉克函数。
状态扩展后，行星着陆轨迹优化问题的初始约束条件为：
Figure BDA0001562962450000091
终端约束条件为：
Figure BDA0001562962450000092
其中，mdry为探测器干重，t0和tf分别为初始和终端时刻。控制约束为：
||T||≤Tmax
优化指标为：
J0＝-m(tf)
Figure BDA0001562962450000093
Figure BDA0001562962450000094
其中c1为权重系数。式(12)考虑了燃耗性能指标；式(13)兼顾行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，考虑了探测器与行星表面障碍碰撞的概率指标，式(14)为考虑了式(12)、(13)的综合优化指标，通过上述优化指标既能够保证探测器安全，又能降低探测器的燃料消耗。
优化指标式(14)、动力学约束式(6)、初始与终端条件约束式(9)、式(10)、控制约束式(11)，共同构成兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件下的行星探测着陆轨迹综合优化问题。
步骤四、求解步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题，兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，完成行星探测着陆轨迹综合优化，实现探测安全精确着陆。
步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题为连续的最优控制问题。求解步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题需将该问题转化为离散的非线性规划问题，利用伪谱法将行星探测着陆轨迹综合优化问题转化为离散的非线性规划问题；利用非线性规划求解器进行求解，得到兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件的行星探测最优着陆轨迹及相应的控制变量，完成行星探测着陆轨迹综合优化，实现探测器安全精确着陆。
本实施例以216Kleopatra小行星为目标星进行仿真验证，仿真条件为：在小天体固联坐标系下，探测器的初始位置为[-1.00×104,1.50×104,3.50×104]Tm，相应的误差标准差为[50,50,50]Tm，初始速度为[5,5,3]Tm/s，相应的误差标准差为[0.1,0.1,0.1]Tm/s，初始质量为500kg，相应的误差标准差为0kg，目标着陆点为[0,0,27350]Tm，目标着陆速度为零，着陆时间为800s，探测器最大推力为200N，发动机比冲Isp＝300s，海平面引力加速度g0＝9.80665m/s2，小天体表面障碍中心位置为[-3.32×103,3.70×103,2.70×104]Tm，障碍区半径为3000m。
图2为探测器三轴位置变化曲线，图3为探测器三轴速度变化曲线，图4为探测器质量变化曲线，图5为探测器三轴推力变化曲线，图6为探测器推力合力大小变化曲线，图7为探测器着陆轨迹。其中，探测器位置、速度曲线平滑，达到预定目标；探测器推力变化符合约束要求；探测器对目标天体表面障碍进行了成功的规避；燃料消耗为46.8kg。
仿真结果显示：在存在不确定性的条件下，本实施例公开的行星探测着陆轨迹综合优化方法得出的最优着陆轨迹及相应的控制变量，符合各项约束要求，能够满足行星表面精确着陆要求；在存在不确定性的条件下对行星表面障碍进行了成功规避，并同时优化了燃耗。由于基于探测器位置的误差协方差矩阵计算了探测器与行星表面障碍的碰撞概率，因此本实施例方法能够在存在不确定性的条件下满足障碍规避要求，兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，保证探测器安全精确着陆并同时优化燃耗性能，且具有优化效率高的优点。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.行星探测着陆轨迹综合优化方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、建立探测器着陆动力学方程；
步骤一具体实现方法为，
定义天体固联坐标系∑a：原点Oa位于天体质心，za轴与天体最大惯量轴即自转轴重合，xa与ya轴分别与最小和中间惯量轴重合，xa，ya，za三轴满足右手法则；
在天体固联坐标系下建立行星探测器着陆动力学方程：
Figure FDA0002994557630000011
其中r＝[x,y,z]T为探测器在天体固联坐标系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T为探测器的速度矢量，m为探测器质量，ω＝[0,0,ω]T为天体自旋角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T为探测器受到的天体引力加速度，T为探测器施加的推力矢量，Isp为推力器比冲，g0为海平面标准引力加速度；所述探测器施加的推力矢量T即为控制变量；
步骤二、计算探测器与行星表面障碍的碰撞概率；
步骤二具体实现方法为，
综合考虑行星表面障碍的物理特征及其不确定性，以半球形的障碍区描述行星表面障碍；障碍的位置以障碍区中心即半球的球心位置rc表示，障碍的大小以障碍区半径即半球半径R表示；
以高斯分布描述探测器的实际位置r的分布；探测器在天体固联坐标系下的位置名义值即均值为
Figure FDA0002994557630000012
相应的误差协方差矩阵为C；则探测器实际处于障碍区的概率，即与行星表面障碍的碰撞概率为：
Figure FDA0002994557630000013
积分区域即为行星表面的障碍区；
相比于名义位置
Figure FDA0002994557630000021
探测器处于障碍区的概率密度比较均匀，则将障碍区内各点的概率密度视为近似相等，以对式(2)进行简化，避免积分运算，减小计算量；将探测器在障碍区内各点的概率密度近似为探测器处于障碍中心rc处的概率密度，则式(2)化简为：
Figure FDA0002994557630000022
其中
Figure FDA0002994557630000023
为半球形障碍区的体积；
当着陆区附近存在多个障碍时，探测器与所述障碍的碰撞概率pc为探测器与每个障碍碰撞概率的加和，即：
Figure FDA0002994557630000024
其中k为障碍数量；
由于在碰撞概率pc的计算中，通过引入探测器位置误差的协方差矩阵C考虑探测器位置的不确定性信息，因此在存在不确定性条件下障碍对探测器的威胁程度的描述更为准确；通过合理近似，对公式(2)进行简化，在保证精度的前提下降低碰撞概率pc的计算量，提高优化速度；
步骤三、兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，构建行星探测着陆轨迹综合优化问题；
步骤三具体实现方法为，
由于步骤二中碰撞概率pc的计算需探测器位置误差协方差矩阵C，因此需对原探测器着陆动力学方程(1)中的状态进行扩展；扩展后的状态变量为X＝[r v m P]T，其中P为原探测器着陆动力学方程(1)中状态变量Xo＝[r v m]T的误差协方差矩阵；步骤二中的探测器位置误差协方差矩阵C为矩阵P的左上角3×3部分；以高斯白噪声描述原探测器着陆动力学方程(1)的过程噪声w，原探测器着陆动力学方程(1)的随机状态方程表示为：
Figure FDA0002994557630000025
状态扩展后的行星探测器着陆动力学方程为：
Figure FDA0002994557630000031
其中G为原探测器着陆动力学方程(1)在名义状态下的雅克比矩阵：
Figure FDA0002994557630000032
Q为过程噪声w的谱密度，满足：
E(w(t)wT(τ))＝Q(t)δ(t-τ) (8)
其中δ(t-τ)为表示时间τ处脉冲的狄拉克函数；
状态扩展后，行星着陆轨迹优化问题的初始约束条件为：
Figure FDA0002994557630000033
终端约束条件为：
Figure FDA0002994557630000034
其中，mdry为探测器干重，t0和tf分别为初始和终端时刻；控制约束为：
||T||≤Tmax (11)
优化指标为：
J0＝-m(tf) (12)
Figure FDA0002994557630000035
Figure FDA0002994557630000036
其中c1为权重系数；式(12)考虑了燃耗性能指标；式(13)兼顾行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，考虑了探测器与行星表面障碍碰撞的概率指标，式(14)为考虑了式(12)、(13)的综合优化指标，通过上述优化指标既能够保证探测器安全，又能降低探测器的燃料消耗；
优化指标式(14)、动力学约束式(6)、初始与终端条件约束式(9)、式(10)、控制约束式(11)，共同构成兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件下的行星探测着陆轨迹综合优化问题；
步骤四、求解步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题，兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件，完成行星探测着陆轨迹综合优化，实现探测器安全精确着陆。
2.如权利要求1所述的行星探测着陆轨迹综合优化方法，其特征在于：步骤四具体实现方法为，
步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题为连续的最优控制问题；求解步骤三所述的行星探测着陆轨迹综合优化问题需将该问题转化为离散的非线性规划问题，利用非线性规划求解器进行求解，得到兼顾燃耗性能、行星着陆的不确定性及行星表面存在障碍的复杂地形条件的行星探测最优着陆轨迹及相应的控制变量，完成行星探测着陆轨迹综合优化，实现安全精确着陆。
3.如权利要求1所述的行星探测着陆轨迹综合优化方法，其特征在于：步骤四中将行星探测着陆轨迹综合优化问题转化为离散的非线性规划问题选伪谱法。
CN201810088128.6A 2018-01-30 2018-01-30 行星探测着陆轨迹综合优化方法 Active CN108279011B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810088128.6A CN108279011B (zh) 2018-01-30 2018-01-30 行星探测着陆轨迹综合优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810088128.6A CN108279011B (zh) 2018-01-30 2018-01-30 行星探测着陆轨迹综合优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108279011A CN108279011A (zh) 2018-07-13
CN108279011B true CN108279011B (zh) 2021-09-03

Family

ID=62805757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810088128.6A Active CN108279011B (zh) 2018-01-30 2018-01-30 行星探测着陆轨迹综合优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108279011B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109211246B (zh) * 2018-11-07 2020-08-21 北京理工大学 不确定环境下行星着陆轨迹规划方法
CN110532724B (zh) * 2019-09-06 2021-03-26 北京理工大学 小天体软着陆燃耗最优轨迹快速在线规划方法
CN110686683B (zh) * 2019-11-01 2021-03-30 北京理工大学 基于不均匀膨胀椭球的行星着陆轨迹在线优化方法
CN110733671B (zh) * 2019-11-22 2021-01-08 北京理工大学 一种小天体自旋角速度动力学修正方法
CN112631285B (zh) * 2020-12-08 2021-11-23 北京理工大学 小天体附着自主避障轨迹快速生成方法
CN112644738B (zh) * 2021-01-19 2021-09-17 哈尔滨工业大学 一种行星着陆避障轨迹约束函数设计方法
CN112947533B (zh) * 2021-04-14 2022-03-22 北京理工大学 复杂小天体表面移动序列轨迹规划方法
CN113343436B (zh) * 2021-05-20 2022-02-18 中国科学院国家空间科学中心 一种高斯混合协方差演化的碰撞概率计算方法及系统
CN115202380B (zh) * 2022-07-06 2023-07-07 北京理工大学 基于分段多项式的地外天体着陆轨迹规划方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104267734A (zh) * 2014-08-01 2015-01-07 北京理工大学 一种燃料最省的火星复杂地形区安全着陆轨迹生成方法
CN106249756A (zh) * 2016-09-20 2016-12-21 北京理工大学 一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法
CN107202584A (zh) * 2017-07-06 2017-09-26 北京理工大学 一种行星精确着陆抗扰制导方法
CN107323692A (zh) * 2017-07-04 2017-11-07 北京理工大学 一种小天体软着陆避障的能量优化方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104267734A (zh) * 2014-08-01 2015-01-07 北京理工大学 一种燃料最省的火星复杂地形区安全着陆轨迹生成方法
CN106249756A (zh) * 2016-09-20 2016-12-21 北京理工大学 一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法
CN107323692A (zh) * 2017-07-04 2017-11-07 北京理工大学 一种小天体软着陆避障的能量优化方法
CN107202584A (zh) * 2017-07-06 2017-09-26 北京理工大学 一种行星精确着陆抗扰制导方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
行星着陆轨迹规划与制导控制方法研究;胡海静;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20160615(第06期);正文18-20，26-27，36-37，41-53，58页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108279011A (zh) 2018-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108279011B (zh) 行星探测着陆轨迹综合优化方法
CN104267734B (zh) 一种燃料最省的火星复杂地形区安全着陆轨迹生成方法
US8038062B2 (en) Methods and apparatus for path planning for guided munitions
CN102981507B (zh) 一种软着陆自主障碍规避常推力器控制方法
Zhao et al. Progress in reentry trajectory planning for hypersonic vehicle
CN107621829B (zh) 一种行星着陆障碍规避的安全区膨胀制导方法
CN105929844A (zh) 一种地外天体软着陆多障碍约束环境下避障方法
CN105930305B (zh) 一种三脉冲交会接近制导方法
CN103303495A (zh) 一种动力下降过程干扰力矩的估计方法
CN110686683B (zh) 基于不均匀膨胀椭球的行星着陆轨迹在线优化方法
CN105574261A (zh) 一种月球借力约束的地月平动点转移轨道设计方法
CN111924139B (zh) 基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法
CN105631099A (zh) 一种小天体探测器着陆动力学模拟系统
Hong et al. Quadrotor path planning using A* search algorithm and minimum snap trajectory generation
Hughes Gravity-assist trajectories to Venus, Mars, and the ice giants: Mission design with human and robotic applications
Zhou et al. MarsSim: a high-fidelity physical and visual simulation for Mars rovers
CN102582850A (zh) 提高卫星磁控精度的方法
CN112896560B (zh) 小天体表面安全弹跳移动轨迹规划方法
CN110231619B (zh) 基于恩克法的雷达交接时刻预报方法及装置
CN111409865A (zh) 基于交会概率的深空探测器接近段制导方法
CN115892519A (zh) 一种用于近距离航天器轨道脉冲博弈的航天器控制方法
Raja et al. Dynamic inversion-based nonlinear aiming point guidance of unmanned aerial vehicles for reactive obstacle avoidance
CN114415730A (zh) 航天器逃逸轨迹智能规划方法
Yuan et al. Integrated robust navigation and guidance for the kinetic impact of near-earth asteroids based on deep reinforcement learning
CN107065547A (zh) 一种基于零空间方法的非合作目标自主交会策略

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant