火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法及裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法及裝置，本發(fā)明包括：建立火星捕獲制動(dòng)控制的動(dòng)力學(xué)模型；根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型并采用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化算法生成火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)，向火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸入第一參數(shù)，以獲取從所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸出的結(jié)果參數(shù)，所述第一參數(shù)包括：火星探測(cè)器進(jìn)入火星影響球的速度、火星探測(cè)器質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)以及目標(biāo)軌道參數(shù)，所述結(jié)果參數(shù)包括：點(diǎn)火時(shí)刻、點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)、制動(dòng)前近火點(diǎn)半徑以及勻角速率。本發(fā)明能夠?qū)υ诨鹦遣东@制動(dòng)階段的火星探測(cè)器進(jìn)行精確控制，結(jié)果參數(shù)的優(yōu)化精度高于4%。
【專(zhuān)利說(shuō)明】火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法及裝置
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及火星探測(cè)軌道控制領(lǐng)域，特別涉及一種火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真 方法及系統(tǒng)。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004] 火星捕獲制動(dòng)是探測(cè)器進(jìn)入火星影響球開(kāi)始至軌控發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的飛行階段，火星 探測(cè)器從地火轉(zhuǎn)移段進(jìn)入捕獲制動(dòng)段后，相對(duì)于火星沿著雙曲線(xiàn)軌道飛行，其飛行速度大。 為了使火星探測(cè)器進(jìn)入設(shè)計(jì)的任務(wù)軌道，必須對(duì)火星探測(cè)器進(jìn)行減速制動(dòng)控制。與近地衛(wèi) 星變軌和近月制動(dòng)不同，火星探測(cè)器的飛行距離遠(yuǎn)，測(cè)控通信延時(shí)大，而且捕獲制動(dòng)的機(jī)會(huì) 只有一次，一旦捕獲失敗，火星探測(cè)器要么飛出火星影響球稱(chēng)為繞太陽(yáng)的行星探測(cè)器，要么 撞擊火星。所W捕獲制動(dòng)是火星探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0005] 火星捕獲制動(dòng)控制為有限推力長(zhǎng)弧段動(dòng)力飛行過(guò)程，推力弧段越長(zhǎng)，推力重力損失 越大，因此，捕獲制動(dòng)控制的合理選擇W獲得合適的控后軌道和節(jié)省能量為優(yōu)化目標(biāo)，使火 星探測(cè)器最終進(jìn)入環(huán)火飛行的目標(biāo)工作軌道。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法及系統(tǒng)，能夠?qū)υ?火星捕獲制動(dòng)階段的火星探測(cè)器進(jìn)行精確控制，結(jié)果參數(shù)的優(yōu)化精度高于4%。
[0008] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法，包括： 建立火星捕獲制動(dòng)控制的動(dòng)力學(xué)模型； 根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型并采用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化算法生成火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)，向火星捕獲 制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸入第一參數(shù)，W獲取從所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸出的結(jié)果參數(shù)，所述 第一參數(shù)包括；火星探測(cè)器進(jìn)入火星影響球的速度、火星探測(cè)器質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)W及目標(biāo) 軌道參數(shù)，所述結(jié)果參數(shù)包括：點(diǎn)火時(shí)刻、點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)、制動(dòng)前近火點(diǎn)半徑W及勻角速率。
[0009] 進(jìn)一步的，在上述方法中，火星捕獲制動(dòng)控制的動(dòng)力學(xué)模型的公式如下： .一 一一 r=巧+F+巧， 其中，4 是火星作為質(zhì)點(diǎn)的中也引力加速度為火星引力常數(shù)，W為火星慣 r M r 性坐標(biāo)系上探測(cè)器距離火星中也的位置矢量，f為與f對(duì)應(yīng)的標(biāo)量，^為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，是為 第H體引力、太陽(yáng)光壓和火星非球形引力的攝動(dòng)力加速度之和。
[0010] 進(jìn)一步的，在上述方法中，或=是1 +巧2 + A F，其中， f ￡? 3、 ^為第H體引力的攝動(dòng)力加速度，馬i = -GM'不， 為第H體的萬(wàn)有引力 巧1 I占-片；GJlf' 常數(shù)，3為第H體到火星探測(cè)器的矢量，P為火星到第H體的矢量； ^2為太陽(yáng)光壓的攝動(dòng)力加速度，馬2 = Q &為表面反射系數(shù)，S為陽(yáng)光單位面積 的平均福射功率，C為光速，5為火星控制器表面法向的單位矢量； AF為火星非球形引力的攝動(dòng)加速度， ，式中 即火也 GM 引力常數(shù)，是火星參考楠圓球體赤道半徑，CL、&?為配套的一組諧系數(shù)，C'^、反映 了火星引力位的非球形特征，、巧、屯是火固坐標(biāo)系中衛(wèi)星所在的空間點(diǎn)的球坐標(biāo)；火也 距、火也締度和從火星本初子午線(xiàn)方向起量的經(jīng)度，將Aif分成帶諧項(xiàng)和田諧項(xiàng)兩個(gè)部分： AF = AFi+AF^ ,

【權(quán)利要求】
1. 一種火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法，其特征在于，包括： 建立火星捕獲制動(dòng)控制的動(dòng)力學(xué)模型； 根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型并采用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化算法生成火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)，向火星捕獲 制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸入第一參數(shù)，W獲取從所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸出的結(jié)果參數(shù)，所述 第一參數(shù)包括；火星探測(cè)器進(jìn)入火星影響球的速度、火星探測(cè)器質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)W及目標(biāo) 軌道參數(shù)，所述結(jié)果參數(shù)包括：點(diǎn)火時(shí)刻、點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)、制動(dòng)前近火點(diǎn)半徑W及勻角速率。
2. 如權(quán)利要求1所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法，其特征在于，火星捕獲制 動(dòng)控制的動(dòng)力學(xué)模型的公式如下： F=f〇+F+F,， 其中，馬=-^是火星作為質(zhì)點(diǎn)的中也引力加速度為火星引力常數(shù)，_^為火星慣 r ^ r 性坐標(biāo)系上探測(cè)器距離火星中也的位置矢量，f為與？對(duì)應(yīng)的標(biāo)量，#為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，巧為 第H體引力、太陽(yáng)光壓和火星非球形引力的攝動(dòng)力加速度之和。
3. 如權(quán)利要求2所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法，其特征在于， S=Si + 4+Ar，其中， ^為第H體引力的攝動(dòng)力加速度，^1 = -GM'， 為第H體的萬(wàn)有引力 巧1 I之療} GM、 常數(shù)，3為第H體到火星探測(cè)器的矢量，P為火星到第H體的矢量； ?為太陽(yáng)光壓的攝動(dòng)力加速度= 為表面反射系數(shù)，為陽(yáng)光單位面積 的平均福射功率，C為光速，3為火星控制器表面法向的單位矢量； AF為火星非球形引力的攝動(dòng)加速度， 式中 即火也 GM 引力常數(shù)，是火星參考楠圓球體赤道半徑，、&?為配套的一組諧系數(shù)，、5*^反映 了火星引力位的非球形特征，i?、資、屯是火固坐標(biāo)系中衛(wèi)星所在的空間點(diǎn)的球坐標(biāo)：火也 距、火也締度和從火星本初子午線(xiàn)方向起量的經(jīng)度，將Af/分成帶諧項(xiàng)和田諧項(xiàng)兩個(gè)部分： AF=A巧+心
4. 如權(quán)利要求3所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法，其特征在于，根據(jù)所述動(dòng)

力學(xué)模型并采用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化算法生成火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)，向火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸 入第一參數(shù)，W獲取從所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸出的結(jié)果參數(shù)的步驟之后還包括：根 據(jù)國(guó)外成功發(fā)射的火星探測(cè)器捕獲制動(dòng)時(shí)的參數(shù)對(duì)所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行修正。
5. 如權(quán)利要求4所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法，其特征在于，根據(jù)國(guó)外成 功發(fā)射的火星探測(cè)器捕獲制動(dòng)時(shí)的參數(shù)對(duì)所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行修正的步驟中， 通過(guò)增加AF的高階項(xiàng)1和?對(duì)所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行修正。
6. 如權(quán)利要求4所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真方法，其特征在于，所述國(guó)外成 功發(fā)射的火星探測(cè)器包括；奧德賽、火星快車(chē)、火星勘探軌道器。
7. -種火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真裝置，其特征在于，包括： 動(dòng)力學(xué)模型模塊，用于建立火星捕獲制動(dòng)控制的動(dòng)力學(xué)模型； 仿真系統(tǒng)模塊，用于根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型并采用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化算法生成火星捕獲制動(dòng)仿 真系統(tǒng)，向火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸入第一參數(shù)，W獲取從所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)輸 出的結(jié)果參數(shù)，所述第一參數(shù)包括；火星探測(cè)器進(jìn)入火星影響球的速度、火星探測(cè)器質(zhì)量、 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)W及目標(biāo)軌道參數(shù)，所述結(jié)果參數(shù)包括：點(diǎn)火時(shí)刻、點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)、制動(dòng)前近火點(diǎn)半 徑W及勻角速率。
8. 如權(quán)利要求7所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真裝置，其特征在于，火星捕獲制 動(dòng)控制的動(dòng)力學(xué)模型的公式如下： r =巧+i?+巧， 其中，4 = 是火星作為質(zhì)點(diǎn)的中也引力加速度為火星引力常數(shù)，^為火星慣 性坐標(biāo)系上探測(cè)器距離火星中也的位置矢量，f為與f對(duì)應(yīng)的標(biāo)量，^為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，馬為 第H體引力、太陽(yáng)光壓和火星非球形引力的攝動(dòng)力加速度之和。
9. 如權(quán)利要求8所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真裝置，其特征在于， S=Si + 4+Af/，其中， P為第H體引力的攝動(dòng)力加速度，= 了+4， 為第H體的萬(wàn)有引力 巧1 I記伊）GM、 常數(shù)，3為第H體到火星探測(cè)器的矢量，身為火星到第H體的矢量； 身為太陽(yáng)光壓的攝動(dòng)力加速度，寫(xiě)2 = 為表面反射系數(shù)，為陽(yáng)光單位面積 C L.r S 的平均福射功率，c為光速，S為火星控制器表面法向的單位矢量； AF為火星非球形引力的攝動(dòng)加速度， 式中 即火也 GM 引力常數(shù)，是火星參考楠圓球體赤道半徑，為配套的一組諧系數(shù)，、&?反映 了火星引力位的非球形特征，i?、資、4是火固坐標(biāo)系中衛(wèi)星所在的空間點(diǎn)的球坐標(biāo)；火也
距、火也締度和從火星本初子午線(xiàn)方向起量的經(jīng)度，將Ar分成帶諧項(xiàng)和田諧項(xiàng)兩個(gè)部分： AF=A巧+A巧
10. 如權(quán)利要求9所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真裝置，其特征在于，還包括修正 模塊，用于根據(jù)國(guó)外成功發(fā)射的火星探測(cè)器捕獲制動(dòng)時(shí)的參數(shù)對(duì)所述火星捕獲制動(dòng)仿真系 統(tǒng)進(jìn)行修正。
11. 如權(quán)利要求10所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真裝置，其特征在于，所述修正 模塊通過(guò)增加AF的高階項(xiàng)1和《對(duì)所述火星捕獲制動(dòng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行修正。
12. 如權(quán)利要求10所述的火星捕獲制動(dòng)控制高保真仿真裝置，其特征在于，所述國(guó)外 成功發(fā)射的火星探測(cè)器包括；奧德賽、火星快車(chē)、火星勘探軌道器。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK104423272SQ201310377060
【公開(kāi)日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】馮建軍, 侯云憶, 尹海寧, 董豐, 譚天樂(lè), 劉宇 申請(qǐng)人:上海新躍儀表廠(chǎng)