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火星上升器轨迹优化与制导方法研究

火星上升器轨迹优化与制导方法研究

作者：李琨哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

火星上升器(Mars Ascent Vehicle,MAV)作为火星采样返回任务最重要的一个环节面临着诸多挑战,定推力、干扰多、不确定性大等诸多问题使得火星上升器的精确入轨困难重重。在此背景下,研究火星上升器的轨迹优化与制导具有重要的意义。本... 详细信息

火星上升器(Mars Ascent Vehicle,MAV)作为火星采样返回任务最重要的一个环节面临着诸多挑战,定推力、干扰多、不确定性大等诸多问题使得火星上升器的精确入轨困难重重。在此背景下,研究火星上升器的轨迹优化与制导具有重要的意义。本文就上升器飞行全过程轨迹优化和分阶段制导展开研究,针对不同阶段的特定环境设计了轨迹优化方案和制导律。主要研究内容如下:首先,介绍了火星上升任务过程并结合调研情况将飞行阶段划分为上升阶段、无动力滑行阶段和入轨阶段,简化分析了火星大气环境模型,并根据三个飞行阶段的特点建立了相应的动力学模型。其次,为了完成火星上升全过程的轨迹优化,针对两种上升器构型分别采用高斯伪谱法和序列凸优化方法实现了最优飞行轨迹的设计。基于高斯伪谱法描述了上升过程的最优控制问题,并在该优化方法中对上升过程的三个阶段进行详细的表述,最终优化出一组较为可靠的轨迹。为了使轨迹优化的效率更高,利用凸优化方法,对原最优控制问题通过变量变换、无损凸化等手段进行转化,在序列凸优化的框架下获得了上升过程的最优飞行轨迹,结合仿真验证了凸优化方法具有计算效率高、对初值不敏感等优点。然后,针对提高上升阶段和无动力滑行阶段轨迹跟踪精度的问题上,提出了带有入轨段约束的上升-无动力滑行段跟踪制导律。在上升阶段采用改进的阿波罗式火星表面上升制导方案,进行了远拱点处参数的补偿,通过侧滑角和攻角的闭环控制实现了对上升阶段参考轨迹的跟踪。分析了最终远拱点处跟踪偏差较大的原因,认为在上升阶段结束时的误差会在无控制的无动力滑行阶段进一步累积放大,因此,在无动力滑行阶段中仍处在火星大气层内的部分设计了滑模跟踪制导律,通过调整倾侧角改变上升器所受气动力的大小,结合仿真证明了提出的带有入轨段约束的上升-无动力滑行段跟踪制导方案大大提升了对标称轨迹的跟踪效果。最后,为了满足能量管理需求和入轨段的制导精度,设计了能够不依赖参考轨迹的Lambert制导方法和迭代制导方法。通过设计Lambert制导方法,根据实际的状态实时计算当前所需速度增量,进一步将速度增量转化为每个制导周期的控制量以实现向目标状态的过渡;迭代制导方法将入轨过程表述为最优控制泛函,在给定终端条件下通过迭代的方法得到剩余飞行时间的估计和每个时刻的最优控制角。最终通过仿真验证了这两种方法能够在实现耗尽关机目标的同时具有较高的入轨精度和鲁棒性。

关键词：火星上升器凸优化跟踪制导 Lambert制导迭代制导

基于hp-自适应伪谱法的火星上升器精确入轨优化

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空天技术 2023年第6期2023卷 53-65页

作者：王浩朋丁一波岳晓奎西北工业大学航天学院西北工业大学深圳研究院西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室

针对火星表面上升器精确入轨任务场景，采用hp-自适应伪谱法对上升段轨迹进行优化。选择上升器构型为两级固液混合火箭加四个助推器，终端轨道为标准任务场景500 km圆轨道和火星环绕器所在中继椭圆轨道，得到上升时间和剩余质量以及终... 详细信息

针对火星表面上升器精确入轨任务场景，采用hp-自适应伪谱法对上升段轨迹进行优化。选择上升器构型为两级固液混合火箭加四个助推器，终端轨道为标准任务场景500 km圆轨道和火星环绕器所在中继椭圆轨道，得到上升时间和剩余质量以及终端轨道的实际入轨偏差。提出的上升器构型可显著减小上升段动压峰值。同时，考虑升交点赤径和近火点幅角约束的椭圆入轨情况，相比传统圆轨道可使上升器获得更高的入轨速度、更短的入轨时间以及更优的燃料消耗，并且在计算机中仿真验证耗时更短，适合实际工程应用。

关键词：火星上升器 hp-自适应伪谱法采样返回椭圆轨道轨道六要素精确入轨

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火星上升器发射技术综述

空天防御 2023年第3期6卷 66-76页

作者：张胜唐晓峰刘可平曾远帆储成龙吴志亮上海机电工程研究所上海201109 上海宇航系统工程研究所上海201109

火星作为太阳系中与地球最为类似的行星,其表面可能存在生命的迹象。尽管现有探测机器人能够在火星表面进行较大范围勘察,但科学家仍无法像在地球上一样利用大型先进设备对样品进行更深入的研究与分析,因此火星采样后返回地球任务具有... 详细信息

火星作为太阳系中与地球最为类似的行星,其表面可能存在生命的迹象。尽管现有探测机器人能够在火星表面进行较大范围勘察,但科学家仍无法像在地球上一样利用大型先进设备对样品进行更深入的研究与分析,因此火星采样后返回地球任务具有非常重要的意义和科学价值。火星表面数十公里厚且不稳定的大气环境,使得将装有火星样品的上升器安全、稳定地从火星表面送至轨道器的任务十分具有挑战性。火星上升器发射技术是火星采样返回任务中的关键技术,关系到任务的成败。本文分析了国外火星上升器发射技术的发展现状,总结了已有各类发射方案的技术特点,以期为中国后续开展火星采样返回任务提供可参考的火星上升器发射技术方案。

关键词：火星采样返回火星上升器发射技术

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火星固体上升器最优推力条件及制导方法

航空学报 2023年第17期44卷 230-245页

作者：张迁杨垣鑫唐硕岳向航许志西北工业大学航天学院西安710072 陕西省空天飞行器设计技术重点实验室西安710072

两级固体上升器是大型火星样本回收计划中的重要组成部分,针对固体火星上升器在样品返回任务中的最优动力设计与耗尽关机多约束制导问题开展研究,提出了一种解析-数值融合的入轨段优化方法,最优解析方法为固体动力的优化设计提供理论依... 详细信息

两级固体上升器是大型火星样本回收计划中的重要组成部分,针对固体火星上升器在样品返回任务中的最优动力设计与耗尽关机多约束制导问题开展研究,提出了一种解析-数值融合的入轨段优化方法,最优解析方法为固体动力的优化设计提供理论依据,数值优化方法在理论最优解邻近进一步解决实际飞行中面临的耗尽关机制导问题。首先,为了分析与优化固体上升器最大载荷质量下的动力参数,基于庞特里亚金极大值原理构建了推力矢量方向的最优控制问题,推导出最优动力参数的新的必要条件来消去协态乘子矢量,进而获得了最优控制量的解析表达式。然后,针对上升器在实际飞行条件下面临的参数偏差及不确定性干扰,提出了一种融合最优解析解序列的二次型数值优化方法,该方法通过高效反向递归敏感度矩阵在线快速迭代计算出飞行指令,控制火星上升器在耗尽关机方式下高精度进入预定目标轨道。最后,推力矢量方向的最优解析表达式,通过与GPOPS优化方法的对比与分析,验证了在必要条件下的最优性与正确性,并给出了火星上升器的最优动力方案。数值仿真结果表明:在配置的参数偏差及不确定性干扰下,火星上升器采用所提的解析-数值融合优化方法,能够在耗尽关机方式下实现高精度入轨任务,具有一定的理论意义和工程应用价值。

关键词：火星上升器最优动力设计最优控制解析方法实时数值优化方法耗尽关机制导解析-数值在线优化

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固推约束下的火星表面起飞上升制导律设计

宇航学报 2022年第11期43卷 1479-1486页

作者：郭敏文李琨黄翔宇郭延宁北京控制工程研究所北京100094 哈尔滨工业大学航天学院控制科学与工程系哈尔滨150001

针对受固推约束的火星上升器(MAV)起飞上升问题,设计了上升段、无动力滑行段、入轨段三段式火星表面起飞上升全过程制导策略。首先,根据实际任务需求进行了上升器标称轨迹优化。其次,在上升段引入了阿波罗制导方法,通过类攻角和类侧滑... 详细信息

针对受固推约束的火星上升器(MAV)起飞上升问题,设计了上升段、无动力滑行段、入轨段三段式火星表面起飞上升全过程制导策略。首先,根据实际任务需求进行了上升器标称轨迹优化。其次,在上升段引入了阿波罗制导方法,通过类攻角和类侧滑角的控制实现对标称轨迹的跟踪。为减少上升段末端偏差对无动力滑行段与标称轨迹间误差的影响,提出了一种通过调整倾侧角改变上升器所受气动力进而控制飞行轨迹的技术路线,并设计了相应的滑模制导律。另外,兼顾固推发动机的能量管理需求,针对入轨段设计了Lambert制导策略,并参考标称控制量对其进行修正,使得上升器能够在控制能力有限的情况下完成较高精度的入轨。最后,通过典型场景火星表面起飞上升全过程数值仿真验证了所设计策略的有效性和鲁棒性。

关键词：火星上升器阿波罗制导轨迹跟踪制导滑模制导 Lambert制导

面向火星采样返回任务的上升与交会制导方法研究

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面向火星采样返回任务的上升与交会制导方法研究

作者：柯森锎南京航空航天大学

学位级别：硕士

火星上升器(Mars Ascent Vehicle,MAV)的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV的分级优化和轨迹优化解耦计算,计算效率较低。本文提出了一种针对两级火星上升器的带初值估计的分级与轨迹一体化优化方法,该方法分为两部分:其一... 详细信息

火星上升器(Mars Ascent Vehicle,MAV)的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV的分级优化和轨迹优化解耦计算,计算效率较低。本文提出了一种针对两级火星上升器的带初值估计的分级与轨迹一体化优化方法,该方法分为两部分:其一为两级MAV分级优化初始化解析方法,由于MAV的上升轨迹更接近于霍曼转移,使用解析模型估计气动力、控制力及重力带来的速度损失,可以快速获得较高精度的MAV分级设计,并将此作为下一步优化程序的初始猜测值;其二为两级MAV的分级与轨迹耦合多阶段优化算法,它以MAV的发射总质量最小为目标函数,考虑MAV设计约束、轨迹的路径约束和控制约束等,基于高斯伪谱法优化器(GPOPS-II)进行算法设计。数值仿真结果表明MAV分级优化初始化解析方法对MAV的总发射质量的估计误差在百分之一以内,且以该分级优化初始化结果作为MAV的分级与轨迹耦合多阶段优化算法的初值可以将算法收敛速度提升一个数量级。针对未来的火星采样返回任务采用两级固体火箭的火星上升器设计方案,现有的“阿波罗”式火星表面上升制导方法没有考虑火星大气影响,在引入姿态控制条件约束后制导精度大幅劣化。本文对该方法进行改进研究,在弹道面内轨迹跟踪制导律的推导中增加对滑行段空气阻力造成的速度损失的解析估计,提高上升轨道远拱点轨道高度的精度;同时对弹道面转动跟踪制导律进行改进,将独立变量由时间改为速度,大幅缩小了轨道倾角的误差范围。数值仿真结果表明本文提出的改进的“阿波罗”火星表面上升制导方法能够显著提高火星表面上升制导精度,减小火星样本舱的入轨误差,为火星轨道交会的成功创造有利条件。本文基于相对运动理论提出火星中间交会制导算法。其原理为将原轨迹与轨迹修正后轨迹视为一主一从两个空间目标,建立相对运动模型,由终端相对状态求解初始轨迹修正速度增量。火星中间交会段的飞行时间较长且初始速度增量较大,导致原J2STM制导法的误差过大而无法适用。本文提出了一种串联制导方法,以lambert法解得的修正后轨迹为基础,进一步使用J2STM法求解初始轨迹修正速度增量。通过仿真验证可知串联制导法可以显著提升制导精度,且运算速度较快。

关键词：火星采样返回火星上升器火箭分级和轨迹耦合优化初值估计标称轨迹跟踪 “阿波罗”式火星上升制导空气阻力速度损失估计中间交会制导 J2摄动相对状态转移矩阵

基于高斯伪谱法的火星表面上升燃耗最优轨迹设计

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深空探测学报 2018年第3期5卷 269-275页

作者：柯森锎李爽肖东东王卫华聂钦博南京航空航天大学航天学院南京210016 南京航空航天大学航天新技术实验室南京210016 上海航天控制技术研究所上海201109

火星上升器的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV(Mars Ascent Vehicle)的分级优化和轨迹优化解耦计算,其计算效率低且鲁棒性较差。提出了一种基于高斯伪谱法的两级MAV分级与轨迹耦合多阶段优化算法,它以MAV的发射总质量最... 详细信息

火星上升器的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV(Mars Ascent Vehicle)的分级优化和轨迹优化解耦计算,其计算效率低且鲁棒性较差。提出了一种基于高斯伪谱法的两级MAV分级与轨迹耦合多阶段优化算法,它以MAV的发射总质量最小为目标函数,并考虑了MAV设计约束、MAV的质量模型约束、轨迹的路径约束和控制约束等限制条件。利用该方法可以同时求得发射总质量最小的两级MAV分级参数和一条燃耗最优的上升轨迹,解决了由于不合理的两级MAV分级设计导致的轨迹优化算法无法收敛的问题。数值仿真结果表明该方法具有较快的收敛速度,且对初值选取的敏感度较小、具有较强的鲁棒性。

关键词：火星采样返回火星上升器火箭分级和轨迹耦合优化高斯伪谱法