一種著陸點在線選取的行星安全著陸制導(dǎo)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種行星安全著陸制導(dǎo)方法，尤其涉及一種著陸點在線選取的行星安 全著陸制導(dǎo)方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于地面能夠獲取的行星表面信息精度有限，較小尺寸的障礙往往在距離行星表 面較近時才能準(zhǔn)確獲得，并且在著陸過程中由于導(dǎo)航誤差、模型不確定性等因素，探測器的 實際狀態(tài)可能與標(biāo)稱狀態(tài)出現(xiàn)較大的偏離，從而導(dǎo)致探測器無法精確到達預(yù)定著陸點或者 出現(xiàn)預(yù)定著陸點周圍地形復(fù)雜不利于著陸等情況。傳統(tǒng)的障礙檢測與規(guī)避方法著重于對地 形障礙的分析，忽略了著陸過程對著陸任務(wù)安全性的影響；在選取著陸點的方法上，則缺乏 對選取范圍以及選取指標(biāo)表示方法的分析與討論；而在制導(dǎo)律的設(shè)計上，還應(yīng)著重考慮誤 差及干擾對制導(dǎo)方法魯棒性的需求。為了解決這些問題，需要一種著陸點在線選取的行星 安全著陸制導(dǎo)方法，既考慮探測器著陸過程中的安全性，又能規(guī)避當(dāng)前的地形障礙，并通過 具有一定魯棒性的實時在線制導(dǎo)方法，將探測器從當(dāng)前位置轉(zhuǎn)移至新的著陸點，從而提高 著陸任務(wù)的安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明公開的一種著陸點在線選取的行星安全著陸制導(dǎo)方法，要解決的技術(shù)問題 是提供一種著陸點在線選取的行星安全著陸制導(dǎo)方法，將綜合考慮多種因素的行星安全著 陸點在線選取方法與魯棒性強的滑模制導(dǎo)方法結(jié)合，能夠有效解決著陸過程中的外界干擾 及未建模誤差，使探測器能夠有效避開危險區(qū)域，以很小的著陸速度及較少的燃耗著陸在 安全的地區(qū)，提高行星著陸任務(wù)的安全性與可靠性，為行星著陸任務(wù)提供技術(shù)支持和參考。 其中，在行星安全著陸點選取過程中所考慮的因素包括相機視場、探測器自身機動能力，以 及影響安全著陸的因素，如地形、著陸速度、燃耗等。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0005]本發(fā)明公開的一種著陸點在線選取的行星安全著陸制導(dǎo)方法，結(jié)合了行星安全著 陸點在線選取方法與滑模制導(dǎo)方法的優(yōu)點，通過綜合比較可選范圍內(nèi)的地形情況及著陸性 能，在線對著陸點進行重新選擇并重新規(guī)劃運動路線。能夠在避開障礙的同時，確保著陸速 度及燃耗均取得較為理想的結(jié)果，并克服誤差及外界干擾，采用魯棒性較好的制導(dǎo)方法將 探測器轉(zhuǎn)移至新的著陸點，從而對探測任務(wù)設(shè)計以及探測對象的選擇具有指導(dǎo)意義，為未 來行星探測提供了技術(shù)支持與參考。
[0006] 本發(fā)明公開的一種著陸點在線選取的行星安全著陸制導(dǎo)方法，在下降過程中，綜 合考慮敏感器視場與探測器機動能力確定著陸點選取范圍，并對地形和著陸性能進行評 估，實時選取安全著陸點，最后通過在線滑模制導(dǎo)將探測器轉(zhuǎn)移至目標(biāo)點。
[0007] 本發(fā)明公開的一種著陸點在線選取的行星安全著陸制導(dǎo)方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1:確定安全著陸點選取范圍。在得到機動能力邊界后，將機動能力覆蓋的區(qū) 域與敏感器視野取交集，將此交集范圍作為安全著陸點選取范圍，用于步驟2的著陸點選 擇。
[0009] 安全著陸點的選取范圍由敏感器視野范圍與探測器機動能力共同決定。此處，敏 感器主要為相機，探測器的機動能力由燃耗橢圓來衡量。
[0010] 為獲得高像素分辨率圖像且使得圖像重疊區(qū)域較多，用于行星探測的光學(xué)相機視 場角一般介于20到50度之間。當(dāng)相機視角為45度時，圖像分辨率和圖像重疊綜合效果最 好。相機的視野范圍受探測器姿態(tài)與高度的影響，考慮到探測器在下降段姿態(tài)變化幅度較 小，僅將拍照高度作為影響視野范圍的因素，高度越高，視野范圍越寬廣，所能進行觀測的 地區(qū)也就越多。
[0011] 機動能力指的是探測器在耗盡所有攜帶燃料時所能飛到的最遠(yuǎn)距離。探測器在下 降段的燃耗主要來源于大功率推力發(fā)動機。在動力下降段開始之前，能夠通過狀態(tài)預(yù)測、燃 料質(zhì)量等計算出探測器360度范圍內(nèi)的機動能力。具體來說，探測器的機動范圍在以下燃 耗橢圓內(nèi)
[0012]
[0013] 其半長軸a與半短軸b為
[0014]
[0015] 在上式中，AV指的是在燃耗允許范圍內(nèi)能改變的最大速度增量，E指的是探測器 的能量，m是探測器的質(zhì)量，△t為剩余著陸時間，vH為水平速度。
[0016] 受初始位置r。、初始速度V。以及各種約束的影響，所述的各種約束指決定相機視 野及機動能力范圍的約束，包括相機視場角Θ、最大速度增量AV、探測器能量E、探測器質(zhì) 量m以及著陸時間At，相機視野可能完全包含于機動范圍內(nèi)，也可能與機動范圍相交，即 有一部分相機視野區(qū)域在機動能力范圍外，機動能力范圍外的區(qū)域超出了探測器的機動能 力，因此不適宜作為最終的著陸區(qū)而應(yīng)該被舍棄。在計算得到機動能力邊界后，還需將機 動能力覆蓋的區(qū)域與相機視野取交集，將此交集范圍作為安全著陸點選取范圍，用于步驟2 的著陸點選擇。
[0017] 步驟2:在線實時獲取地形安全性、著陸速度以及燃耗大小信息，利用綜合考慮地 形安全性、著陸速度以及燃耗大小的公式（3)選擇安全著陸點。
[0018]
[0019] 其中，Tji= 1，2, 3)為各項的權(quán)重，決定公式（3)中每部分對結(jié)果的影響大小， 經(jīng)過歸一化處理，每部分的取值均在[0, 1]。
[0020] 所述的安全著陸點選取指標(biāo)LSSI選取方法為：
[0021] 為了保證著陸的安全性，首先需要考慮的是地形的安全性。地形的安全性包括兩 個方面：著陸區(qū)內(nèi)的障礙物尺寸必須要在探測器可容忍范圍之內(nèi)；著陸區(qū)必須足夠大以滿 足探測器的最大著陸偏差。鑒于此，在得到地形信息后，首先要對可見范圍內(nèi)的障礙進行識 另IJ，將對探測器構(gòu)成威脅的區(qū)域所在的像素點標(biāo)記為危險像素點，其余標(biāo)記為安全像素點， 確定每個安全像素點的安全半徑R，再通過導(dǎo)航誤差、執(zhí)行誤差和外界干擾估算出著陸偏差 rf，采用公式（4)得到地形安全性評估指標(biāo)
[0022]
[0023] 給定著陸偏差rf，通過選取合適的參數(shù)c，地形安全性評估指標(biāo)1,能夠保證幾乎所 有安全半徑R小于著陸偏差rf的區(qū)域取1，大于著陸偏差rf的區(qū)域取0。取1的區(qū)域意味 著在著陸橢圓內(nèi)有障礙存在，取0的區(qū)域則意味著整個著陸橢圓內(nèi)都是安全的，從而將可 用于安全著陸的區(qū)域與危險區(qū)域區(qū)分開。當(dāng)c較大時，整個指標(biāo)的取值90%以上都是0或 1。當(dāng)安全半徑R與著陸偏差rf大小相近時，地形安全性評估指標(biāo)11會出現(xiàn)劇烈的變化，表 明此時在著陸橢圓的邊界處有障礙存在。
[0024] 在確保了地形安全后，還需要考慮探測器的著陸速度vf。著陸速度在豎直方向的 分量過大會對探測器造成致命的傷害，而其在水平方向的兩個分量則有可能造成探測器側(cè) 翻或傾倒，此處著重考慮豎直方向分量vfz。對于著陸速度vfz的估計同樣需要加入導(dǎo)航誤 差、執(zhí)行誤差與外界干擾。火星探測器所能容忍的最大沖擊速度一般為3m/s，實際著陸速 度vfz-旦超過最大沖擊速度，則可能造成探測器自身結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部儀器的損毀，因此在評 估過程中需要選取著陸速度vfz盡可能小的區(qū)域。
[0025] 除此之外，還應(yīng)考慮著陸過程中的燃耗情況。由于探測器能夠攜帶的燃料有限，為 了保證著陸任務(wù)的安全完成，應(yīng)盡可能選取燃耗較小的地方著陸。整個動力下降段的燃耗 用燃料質(zhì)量比PMF表征
[0026] (力
[0027] 綜合考慮地形安全性、著陸速度以及燃耗，得到安全著陸點選取指標(biāo)LSSI:
[0028]
[0029] 其中，τΑ= 1，2, 3)為各項的權(quán)重，決定公式（6)中每部分對結(jié)果的影響大小， 經(jīng)過歸一化處理，每部分的取值均在[0, 1]。
[0030] 優(yōu)選公式