火星捕獲制動控制高保真仿真方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種火星捕獲制動控制高保真仿真方法及裝置，本發明包括：建立火星捕獲制動控制的動力學模型；根據所述動力學模型并采用非線性優化算法生成火星捕獲制動仿真系統，向火星捕獲制動仿真系統輸入第一參數，以獲取從所述火星捕獲制動仿真系統輸出的結果參數，所述第一參數包括：火星探測器進入火星影響球的速度、火星探測器質量、發動機參數以及目標軌道參數，所述結果參數包括：點火時刻、點火時長、制動前近火點半徑以及勻角速率。本發明能夠對在火星捕獲制動階段的火星探測器進行精確控制，結果參數的優化精度高于4%。
【專利說明】火星捕獲制動控制高保真仿真方法及裝置
[0001]
【技術領域】
[0002] 本發明涉及火星探測軌道控制領域，特別涉及一種火星捕獲制動控制高保真仿真 方法及系統。
[0003]
【背景技術】
[0004] 火星捕獲制動是探測器進入火星影響球開始至軌控發動機關機的飛行階段，火星 探測器從地火轉移段進入捕獲制動段后，相對于火星沿著雙曲線軌道飛行，其飛行速度大。 為了使火星探測器進入設計的任務軌道，必須對火星探測器進行減速制動控制。與近地衛 星變軌和近月制動不同，火星探測器的飛行距離遠，測控通信延時大，而且捕獲制動的機會 只有一次，一旦捕獲失敗，火星探測器要么飛出火星影響球稱為繞太陽的行星探測器，要么 撞擊火星。所W捕獲制動是火星探測的關鍵技術之一。
[0005] 火星捕獲制動控制為有限推力長弧段動力飛行過程，推力弧段越長，推力重力損失 越大，因此，捕獲制動控制的合理選擇W獲得合適的控后軌道和節省能量為優化目標，使火 星探測器最終進入環火飛行的目標工作軌道。
[0006]
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種火星捕獲制動控制高保真仿真方法及系統，能夠對在 火星捕獲制動階段的火星探測器進行精確控制，結果參數的優化精度高于4%。
[0008] 為解決上述問題，本發明提供一種火星捕獲制動控制高保真仿真方法，包括： 建立火星捕獲制動控制的動力學模型； 根據所述動力學模型并采用非線性優化算法生成火星捕獲制動仿真系統，向火星捕獲 制動仿真系統輸入第一參數，W獲取從所述火星捕獲制動仿真系統輸出的結果參數，所述 第一參數包括；火星探測器進入火星影響球的速度、火星探測器質量、發動機參數W及目標 軌道參數，所述結果參數包括：點火時刻、點火時長、制動前近火點半徑W及勻角速率。
[0009] 進一步的，在上述方法中，火星捕獲制動控制的動力學模型的公式如下： .一 一一 r=巧+F+巧， 其中，4 是火星作為質點的中也引力加速度為火星引力常數，W為火星慣 r M r 性坐標系上探測器距離火星中也的位置矢量，f為與f對應的標量，^為發動機推力，是為 第H體引力、太陽光壓和火星非球形引力的攝動力加速度之和。
[0010] 進一步的，在上述方法中，或=是1 +巧2 + A F，其中， f ￡? 3、 ^為第H體引力的攝動力加速度，馬i = -GM'不， 為第H體的萬有引力 巧1 I占-片；GJlf' 常數，3為第H體到火星探測器的矢量，P為火星到第H體的矢量； ^2為太陽光壓的攝動力加速度，馬2 = Q &為表面反射系數，S為陽光單位面積 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加速度， ，式中 即火也 GM 引力常數，是火星參考楠圓球體赤道半徑，CL、&?為配套的一組諧系數，C'^、反映 了火星引力位的非球形特征，、巧、屯是火固坐標系中衛星所在的空間點的球坐標；火也 距、火也締度和從火星本初子午線方向起量的經度，將Aif分成帶諧項和田諧項兩個部分： AF = AFi+AF^ ,
【權利要求】
1. 一種火星捕獲制動控制高保真仿真方法，其特征在于，包括： 建立火星捕獲制動控制的動力學模型； 根據所述動力學模型并采用非線性優化算法生成火星捕獲制動仿真系統，向火星捕獲 制動仿真系統輸入第一參數，W獲取從所述火星捕獲制動仿真系統輸出的結果參數，所述 第一參數包括；火星探測器進入火星影響球的速度、火星探測器質量、發動機參數W及目標 軌道參數，所述結果參數包括：點火時刻、點火時長、制動前近火點半徑W及勻角速率。
2. 如權利要求1所述的火星捕獲制動控制高保真仿真方法，其特征在于，火星捕獲制 動控制的動力學模型的公式如下： F=f〇+F+F,， 其中，馬=-^是火星作為質點的中也引力加速度為火星引力常數，_^為火星慣 r ^ r 性坐標系上探測器距離火星中也的位置矢量，f為與？對應的標量，#為發動機推力，巧為 第H體引力、太陽光壓和火星非球形引力的攝動力加速度之和。
3. 如權利要求2所述的火星捕獲制動控制高保真仿真方法，其特征在于， S=Si + 4+Ar，其中， ^為第H體引力的攝動力加速度，^1 = -GM'， 為第H體的萬有引力 巧1 I之療} GM、 常數，3為第H體到火星探測器的矢量，P為火星到第H體的矢量； ?為太陽光壓的攝動力加速度= 為表面反射系數，為陽光單位面積 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加速度， 式中 即火也 GM 引力常數，是火星參考楠圓球體赤道半徑，、&?為配套的一組諧系數，、5*^反映 了火星引力位的非球形特征，i?、資、屯是火固坐標系中衛星所在的空間點的球坐標：火也 距、火也締度和從火星本初子午線方向起量的經度，將Af/分成帶諧項和田諧項兩個部分： AF=A巧+心
4. 如權利要求3所述的火星捕獲制動控制高保真仿真方法，其特征在于，根據所述動
力學模型并采用非線性優化算法生成火星捕獲制動仿真系統，向火星捕獲制動仿真系統輸 入第一參數，W獲取從所述火星捕獲制動仿真系統輸出的結果參數的步驟之后還包括：根 據國外成功發射的火星探測器捕獲制動時的參數對所述火星捕獲制動仿真系統進行修正。
5. 如權利要求4所述的火星捕獲制動控制高保真仿真方法，其特征在于，根據國外成 功發射的火星探測器捕獲制動時的參數對所述火星捕獲制動仿真系統進行修正的步驟中， 通過增加AF的高階項1和?對所述火星捕獲制動仿真系統進行修正。
6. 如權利要求4所述的火星捕獲制動控制高保真仿真方法，其特征在于，所述國外成 功發射的火星探測器包括；奧德賽、火星快車、火星勘探軌道器。
7. -種火星捕獲制動控制高保真仿真裝置，其特征在于，包括： 動力學模型模塊，用于建立火星捕獲制動控制的動力學模型； 仿真系統模塊，用于根據所述動力學模型并采用非線性優化算法生成火星捕獲制動仿 真系統，向火星捕獲制動仿真系統輸入第一參數，W獲取從所述火星捕獲制動仿真系統輸 出的結果參數，所述第一參數包括；火星探測器進入火星影響球的速度、火星探測器質量、 發動機參數W及目標軌道參數，所述結果參數包括：點火時刻、點火時長、制動前近火點半 徑W及勻角速率。
8. 如權利要求7所述的火星捕獲制動控制高保真仿真裝置，其特征在于，火星捕獲制 動控制的動力學模型的公式如下： r =巧+i?+巧， 其中，4 = 是火星作為質點的中也引力加速度為火星引力常數，^為火星慣 性坐標系上探測器距離火星中也的位置矢量，f為與f對應的標量，^為發動機推力，馬為 第H體引力、太陽光壓和火星非球形引力的攝動力加速度之和。
9. 如權利要求8所述的火星捕獲制動控制高保真仿真裝置，其特征在于， S=Si + 4+Af/，其中， P為第H體引力的攝動力加速度，= 了+4， 為第H體的萬有引力 巧1 I記伊）GM、 常數，3為第H體到火星探測器的矢量，身為火星到第H體的矢量； 身為太陽光壓的攝動力加速度，寫2 = 為表面反射系數，為陽光單位面積 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加速度， 式中 即火也 GM 引力常數，是火星參考楠圓球體赤道半徑，為配套的一組諧系數，、&?反映 了火星引力位的非球形特征，i?、資、4是火固坐標系中衛星所在的空間點的球坐標；火也
距、火也締度和從火星本初子午線方向起量的經度，將Ar分成帶諧項和田諧項兩個部分： AF=A巧+A巧
10. 如權利要求9所述的火星捕獲制動控制高保真仿真裝置，其特征在于，還包括修正 模塊，用于根據國外成功發射的火星探測器捕獲制動時的參數對所述火星捕獲制動仿真系 統進行修正。
11. 如權利要求10所述的火星捕獲制動控制高保真仿真裝置，其特征在于，所述修正 模塊通過增加AF的高階項1和《對所述火星捕獲制動仿真系統進行修正。
12. 如權利要求10所述的火星捕獲制動控制高保真仿真裝置，其特征在于，所述國外 成功發射的火星探測器包括；奧德賽、火星快車、火星勘探軌道器。
【文檔編號】G05B17/02GK104423272SQ201310377060
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】馮建軍, 侯云憶, 尹海寧, 董豐, 譚天樂, 劉宇 申請人:上海新躍儀表廠