专利名称：一种基于约束规划的小天体接近段制导控制方法
技术领域：
本发明涉及一种对小天体探测器的制导控制方法，特别是一种在接近小天体过程中满足状态与控制约束的制导控制方法。
背景技术：
在对小天体的接近过程中，由于引力、几何地形及其相关因素不确定性的存在，探测器制导控制算法需要对未知因素具有一定的处理能力。通常对于行星和月球的探测任务，由于对目标天体的长时间观测，事先获得了较为完备的天体特性信息，因此基于地面站的制导控制策略已成为对其进行接近操作过程中的常规模式。而对于小天体探测任务，目前并不具备对其进行长期观测的条件，这就需要探测器自身具备对未知情况进行快速处理的能力，加之较长通信延迟的存在，使利用基于地面站模式的制导控制方案的可能性大大降低。自主制导控制算法有利于妥善解决这一问题，且目前的星载计算能力和可用的演算技术使这一方法成为可能。·现有技术参见R. R. Sostaric, J. R. Rea. Powered descent guidance methodsfor the moon and mars. San Francisco，USA American Institute of Aeronautics andAstronautics Inc, 2005.,传统的轨迹规划方法是利用多项式对探测器当前状态与期望状态进行拟合从而形成跟踪路径点，以其作为逼近系统最优解的解析形式。由于这种方法简便易行且运算量低，因此成为以往探测器接近任务段制导控制策略的选择。然而，非线性的探测器动力学系统的解很难用简单的多项式形式代替，由传统轨迹规划方法所形成的路径点并不是系统的最优解；同时，随着探测任务的复杂化与探测要求的不断提高，传统轨迹规划方法无法满足任务过程中严格的状态约束与控制约束，因此寻找优化的轨迹制导控制方法成为近年来国内外学者关注的问题，参见S. R. Ploen, A. B. Acikmese, A. Wolf. Acomparison of powered descent guidance laws for Mars pinpoint landing. Reston,VA, USA American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc, 2006 对多种行星制导方法进行了详细对比分析。
发明内容
本发明针对小天体接近段任务传统多项式拟合制导控制算法的缺陷，将动力学约束、状态约束以及控制约束同时引入轨迹规划的过程中，通过求解凸规划问题产生满足具有状态与控制约束的非线性动力学系统的可行解，从而提高小天体接近段制导控制性能。该种基于约束规划的小天体接近段制导控制方法，具体包括以下步骤第一步建立探测器接近小天体动力学模型；第二步将系统模型进行离散化，并将所得模型用于后续凸规划制导；第三步根据探测器当前状态、末端期望状态以及期望机动时间，通过线性或多项式拟合得到一条初始参考轨迹；第四步由这一初始参考轨迹开始，引入状态约束与控制约束，通过反复迭代求解具有控制约束与轨迹状态约束的动力学路径规划，得到接近目标天体过程中可行的制导路径。其中第一步中动力学模型由如下方程表示
权利要求
1.一种基于约束规划的小天体接近段制导控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤 第一步建立探测器接近小天体动力学模型； 第二步将系统模型进行离散化，并将所得模型用于后续凸规划制导； 第三步根据探测器当前状态、末端期望状态以及期望机动时间，通过线性或多项式拟合得到一条初始参考轨迹；第四步由这一初始参考轨迹开始，引入状态约束与控制约束，通过反复迭代求解具有控制约束与轨迹状态约束的动力学路径规划，得到接近目标天体过程中可行的制导路径。
2.如权利要求I所述的一种基于约束规划的小天体接近段制导控制方法，其特征在于，其中第一步中动力学模型由如下方程表示
3.如权利要求I所述的一种基于约束规划的小天体接近段制导控制方法，其特征在于，其中第二步中离散化采用以下方法 在固定时间间隔At,其中At彡δ f+δ s内，控制加速度输入u(t)描述为 式中，tk+1_tk= At且Uk为有限控制输入，在推力器开启过程中，式(3)所描述系统的解在t = tk+ δ f时刻为
4.如权利要求I或2或3所述的一种基于约束规划的小天体接近段制导控制方法，其特征在于，其中第四步中拟合得到初始参考轨迹
全文摘要
本发明为一种基于约束规划的小天体接近段制导控制方法，将目标天体引力模型引入轨迹规划过程中，同时加入接近过程中对状态与控制的约束，将具有控制约束与轨迹状态约束的非线性动力学路径规划问题转化为以优化燃耗为性能指标的二阶圆锥规划(SOCP)问题。进而，这一凸规划问题可通过内点法对其进行高效求解。由此规划产生的路径点不仅是传统意义上的目标跟踪状态，而且该状态是在考虑目标天体引力场影响情况下满足具有状态与控制约束动力学系统的可行解；此外，所得前馈控制输入满足星上设备和滤波估计所需的推力器关闭时间要求。
文档编号G05D1/02GK102890506SQ20111020258
公开日2013年1月23日 申请日期2011年7月19日 优先权日2011年7月19日
发明者崔平远, 徐瑞, 崔祜涛, 朱圣英, 高艾 申请人:北京理工大学