基於微分變換的火星進入軌跡規劃與精確制導

《基於微分變換的火星進入軌跡規劃與精確制導》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由李海陽擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於微分變換的火星進入軌跡規劃與精確制導
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李海陽
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

火星精確著陸是未來火星探測的關鍵技術之一，進入軌跡規劃與精確制導則是火星精確著陸的基礎。軌跡規劃可以實現離線的軌跡最佳化，也可實現軌跡的線上快速生成，而精確制導則可將進入飛行器安全導引至預定的開傘點。本項目以我國未來火星探測為背景，針對國內外研究的不足，系統開展火星進入軌跡規劃與精確制導研究。引入修正的查普曼變數建立進入運動方程，並利用高階匹配漸近展開理論求得方程的解析解；分析進入落點可達域與進入點可控域的求解思路，並引入微分變換法將最優控制問題轉化為非線性方程的求解問題；基於改進的RRT方法實現進入軌跡的線上快速規劃，重新定義了進入軌跡規劃中的RRT收斂標準，引入啟發信息使得規劃軌跡接近最優軌跡；用NMPC代替傳統的線性反饋控制實現進入軌跡的精確跟蹤制導，NMPC中的最優控制問題採用微分變換法求解。研究成果將為我國未來火星進入任務的總體設計以及進入制導方案提供重要的參考依據。

結題摘要

火星精確著陸是未來火星探測的關鍵技術之一，進入軌跡規劃與精確制導則是火星精確著陸的基礎。本項目針對國內外研究的不足，系統開展火星進入軌跡規劃與精確制導研究。主要研究成果如下： 分析了火星進入的軌跡特性。利用匹配漸進展開理論獲得了火星進入運動的近似解，分別從彈道參數對進入條件的敏感性以及初始偏差和外部攝動對進入運動的影響等多個方面，對進入特性進行了分析。 提出了火星進入可達域與可控域生成算法。給出了可達域與可控域的定義，建立了兩者求解的最佳化模型，分別採用了多初始點直接打靶法和高斯偽譜法對可控域和可達域邊界進行了求解，並分析了進入初始條件對可達域的影響。 提出了火星進入軌跡線上快速規划算法。設計了適用於火星進入軌跡規劃的有限時域次優控制器，將軌跡規劃問題轉化為了最優控制問題，並採用狀態相關的黎卡提方程方法求解。 提出了基於微分變換的火星進入軌跡跟蹤算法。在每一個制導周期，預期軌跡和傾側角指令通過利用間接最佳化法建立的兩點邊值問題（BVP）獲得。通過微分變換方法將BVP轉換為了一組非線性代數方程組，進而通過牛頓信賴域法進行了求解。 提出了基於非線性模型預測控制的火星進入軌跡跟蹤算法。本項目引入非線性預測控制算法來跟蹤進入軌跡的阻力加速度-能量剖面。將預測跟蹤誤差表示為依賴於控制量的截斷的泰勒展開式，然後尋找使得目標函式最小的控制量，其中目標函式是預測誤差的函式。 設計並開發了火星進入飛行數字仿真仿真軟體。建立了火星進入仿真需要的數學模型，設計了軟體各個子系統的模組、軟體框架和運行流程，實現了火星進入飛行仿真。利用所設計的數字仿真平台對上述提出的火星進入軌跡規划算法和軌跡跟蹤算法進行了驗證。 項目研究解決了火星進入軌跡特性分析、落點可達域與進入點可控域生成算法、進入軌跡線上快速規劃、精確跟蹤制導等問題。項目的研究成果將為我國未來火星進入任務的總體設計以及進入制導方案提供重要的參考依據。