一種銜接主減速和接近段的預測校正方法
【專利摘要】一種銜接主減速和接近段的預測校正方法，步驟為：計算主減速段制導參數；基于主減速段制導參數和探測器當前狀態(tài)進行快速調整段終端預測；基于接近段入口條件修正主減速段制導目標；判斷是否滿足主減速切換條件，如果滿足，則切換到快速調整制導；否則重新計算步驟（1）～（3），直到滿足主減速切換條件；利用切換時刻狀態(tài)確定快速調整段制導參數；根據快速調整段制導參數確定當前制導指令；利用當前狀態(tài)規(guī)劃接近段入口制導指令；快速調整段當前制導指令與接近段入口制導指令夾角小于設定值或制導時間完成，切換到接近段制導。本發(fā)明保證了接近段入口對姿態(tài)、高度、速度和加速度的需求，滿足了探測器從主減速段平緩過渡到接近段的要求。
【專利說明】一種銜接主減速和接近段的預測校正方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銜接主減速和接近段的預測校正方法，主要應用于深空著陸探測器，屬于航天器制導、導航與控制【技術領域】?？蓱糜谠虑蛞约盎鹦?、小行星等深空天體探測任務，具有廣泛的應用價值和市場前景。
【背景技術】
[0002]深空天體軟著陸動力下降過程一般可分為六個任務段:(1)主減速段:距天體表面高度從約15km到約3km，該段主要任務是軟著陸制動，減小探測器的速度至預設值，高度下降至約3km。(2)快速調整段:距天體表面高度從約3km到約2.4km,該段主要任務是快速銜接主減速和接近段。(3)接近段:距天體表面高度從約2.4km到約100m，該段主要任務是粗避障。(4)懸停段:距天體表面高度約100m，該段主要任務是對著陸區(qū)域的精障礙檢測。保持探測器處于懸停狀態(tài)，利用三維成像敏感器對著陸區(qū)進行觀測，選擇出安全著陸點。(5)避障段:距天體表面高度從約IOOm到約30m，該段主要任務是精避障和下降。(6)緩速下降段:距天體表面高度從約30m到0m，該段主要任務是保證探測器平穩(wěn)緩速下降到天體表面。
[0003]Luna和Surveyor系列月球探測器分別采用了標稱軌跡和重力轉彎制導；Apollo主減速段和接近段都采用四次多項式制導，通過在地面優(yōu)化設計參數來滿足推力變化過程的銜接，但是對于姿態(tài)的銜接是沒有考慮；美國的重返月球計劃提出，在主減速段采用PEG制導，接近段采用多項式制導，主減速過渡到接近段是通過快速姿態(tài)調整實現(xiàn)，沒有提出具有銜接功能的自適應修正制導方法。
[0004]對于動力下降的主減速段末期，探測器姿態(tài)仍接近水平，主發(fā)動機仍工作在最大推力段，推力加速度也達到最大；而動力下降的接近段要求探測器姿態(tài)接近垂直，主發(fā)動機工作在低推力水平上，高度、速度和加速度滿足一定關系；可見，主減速段末端狀態(tài)和接近段初始狀態(tài)很難直接銜接上。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明技術解決問題:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種銜接主減速和接近段的預測校正方法，考慮到主減速段末端狀態(tài)和接近段初始狀態(tài)銜接的需求，設計了主減速段帶有制導目標修正功能的制導律和基于切換狀態(tài)確定制導參數的自適應制導律，保證了接近段入口對姿態(tài)、高度、速度和加速度的需求，滿足了探測器從主減速段平緩過渡到接近段的要求。
[0006]本發(fā)明技術解決方案:一種銜接主減速和接近段的預測校正方法，實現(xiàn)步驟如下:
[0007]( I)計算主減速段制導參數
[0008]利用探測器當前狀態(tài)和主發(fā)動機比沖和推力參數，計算主減速段制導參數:剩余主減速時間、參考時間、推力方向變化率和參考速度增量方向；[0009](2)基于主減速段制導參數和探測器當前狀態(tài)進行快速調整段終端預測
[0010]利用步驟(1)中計算主減速段制導參數和探測器當前狀態(tài)，預測主減速終端狀態(tài)和制導指令；根據接近段入口對姿態(tài)和加速度的要求，確定快速調整段終端狀態(tài)；由此確定快速調整段制導參數，進而利用快速調整段制導參數預測快速調整過程產生的位置和速度變化量，最終預測得到快速調整終端狀態(tài)，即預測得到接近段入口狀態(tài)；
[0011](3)基于接近段入口條件修正主減速段制導目標
[0012]利用預測的接近段初始狀態(tài)與接近段入口目標狀態(tài)進行比較，得到接近段入口狀態(tài)的差，所述接近段入口目標狀態(tài)即接近段入口對高度和速度的要求；再利用狀態(tài)轉移矩陣遞推到主減速末端，得到主減速段制導參數的修正量，進而達到反饋修正的目的；經過主減速末期的多次預測修正后，可以保證接近段入口目標狀態(tài)的實現(xiàn)；
[0013](4)判斷是否滿足主減速切換條件，如果滿足，則切換到快速調整制導；否則重新計算步驟(1)~(3)，直到滿足主減速切換條件；
[0014](5)利用切換時刻的探測器推力加速度大小、方向和接近段入口目標狀態(tài)確定快速調整段制導參數；
[0015](6)根據快速調整段制導參數確定快速調整段當前制導指令；
[0016](7)利用探測器當前狀態(tài)，規(guī)劃接近段入口制導指令；
[0017](8)快速調整段當前制導指令與接近段入口制導指令夾角小于設定值或制導時間完成，切換到接近段制導。
[0018]所述步驟(2)具體實現(xiàn)如下:
[0019](1)定義主減速段末端加速度為，接近段初始加速度為h，快速調整段初始
加速度為巧"，快速調整段時間為△%，其受姿態(tài)機動最大角速度約束，最大姿態(tài)角速度可以取為5° /S，制導參數計算公式如下
【權利要求】
1.一種銜接主減速和接近段的預測校正方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下: (1)計算主減速段制導參數 利用探測器當前狀態(tài)和主發(fā)動機比沖和推力參數，計算主減速段制導參數:剩余主減速時間、參考時間、推力方向變化率和參考速度增量方向； (2)基于主減速段制導參數和探測器當前狀態(tài)進行快速調整段終端預測 利用步驟(1)中計算主減速段制導參數和探測器當前狀態(tài)，預測主減速終端狀態(tài)和制導指令；根據接近段入口對姿態(tài)和加速度的要求，確定快速調整段終端狀態(tài)；由此確定快速調整段制導參數，進而利用快速調整段制導參數預測快速調整過程產生的位置和速度變化量，最終預測得到快速調整終端狀態(tài)，即預測得到接近段入口狀態(tài)； (3)基于接近段入口條件修正主減速段制導目標 利用預測的接近段初始狀態(tài)與接近段入口目標狀態(tài)進行比較，得到接近段入口狀態(tài)的差，所述接近段入口目標狀態(tài)即接近段入口對高度和速度的要求；再利用狀態(tài)轉移矩陣遞推到主減速末端，得到主減速段制導參數的修正量，進而達到反饋修正的目的；經過主減速末期的多次預測修正后，可以保證接近段入口目標狀態(tài)的實現(xiàn)； (4)判斷是否滿足主減速切換條件，如果滿足，則切換到快速調整制導；否則重新計算步驟(1)~(3)，直到滿足主減速切換條件； (5)利用切換時刻的探測器推力加速度大小、方向和接近段入口目標狀態(tài)確定快速調整段制導參數； (6)根據快速調整段制導參數確定快速調整段當前制導指令； (7)利用探測器當前狀態(tài)，規(guī)劃接近段入口制導指令； (8)快速調整段當前制導指令與接近段入口制導指令夾角小于設定值或制導時間完成，切換到接近段制導。
2.根據權利要求1所述的一種銜接主減速和接近段的預測校正方法，其特征在于:所述步驟(2)具體實現(xiàn)如下: (I)定義主減速段末端加速度為/，接近段初始加速度為，快速調整段初始加速度為，快速調整段時間為，其受姿態(tài)機動最大角速度約束，制導參數計算公式如下
3.根據權利要求1所述的一種銜接主減速和接近段的預測校正方法，其特征在于:所述步驟(3)具體實現(xiàn)步驟如下: (1)定義接近段初始狀態(tài)目標高度為hai，其由地面根據任務需要設定；利用(2)預測的接近段初始位置t，計算預測的接近段初始高度
4.根據權利要求1所述的一種銜接主減速和接近段的預測校正方法，其特征在于:所述步驟(5)具體實現(xiàn)步驟如下: (I)根據接近段初始狀態(tài)要求以及主減速末端加速度，計算需要的速度增量方向矢量^制導參考時間?λ
【文檔編號】B64G1/24GK103662092SQ201310685321
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權日:2013年12月13日
【發(fā)明者】黃翔宇, 張洪華, 關軼峰, 李驥, 梁俊, 程銘, 趙宇, 于萍, 何健, 王大軼, 張曉文 申請人:北京控制工程研究所