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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：一种基于无损凸化和切比雪夫正交配点法的月面大范围飞行器轨迹优化方法，涉及月球表面飞行器飞行轨迹优化技术领域，用以解决月面飞行器的动力上升和动力下降两阶段轨迹优化问题。本发明技术要点包括：对于飞行器在月球表面飞行阶段的上升段轨迹和下降段轨迹进行轨迹优化：构建月面载人飞行器轨迹优化模型，包括动力学模型方程、约束条件和目标函数；对轨迹优化模型进行变换，包括对约束条件和动力学模型方程进行变换；进一步利用切比雪夫正交配点法对动力学模型方程进行离散化；对变换后的轨迹优化模型进行迭代求解，获得上升段轨迹或下降段轨迹的状态量和控制量。本发明实现了月面飞行器以燃料最优为目的的上升段和下降段轨迹规划，具有普适性。

主权项：1.一种基于无损凸化和切比雪夫正交配点法的月面大范围飞行器轨迹优化方法，其特征在于，对于飞行器在月球表面飞行阶段的上升段轨迹和下降段轨迹，按照以下步骤进行轨迹优化：步骤一、构建月面载人飞行器轨迹优化模型；具体包括：在月球惯性球坐标系下建立月面载人飞行器的动力学模型方程；所述月球惯性球坐标系是以月球质心为坐标原点建立的球坐标系，用r,θ,φ表示球坐标系中的点，其中，r表示点到月球质心距离，θ表示点的位矢与月球北极的夹角，即极角；φ表示点的位矢在月球赤道面的投影与月球本初子午面的夹角，即方位角；对动力学模型方程进行归一化，归一化后的动力学模型方程建立如下：1上升段： 2下降段： 式中，vr、vθ、vφ分别表示飞行器的径向、切向和法向速度；μ表示月球引力常量；T表示发动机推力幅值；α、β分别表示飞行器推力方向与径向和法向的夹角；m表示飞行器质量；ve表示发动机比冲；分别表示r、θ、φ、vr、vθ、vφ、m关于时间t的导数；其中，上升段m0表示初始时刻飞行器质量，RF表示上升段终点到月球质心的距离，vF表示上升段终点对应的飞行器速度，Tmax表示发动机的最大推力幅值；下降段R0表示下降段起点到月球质心的距离，v0表示下降段起点对应的飞行器速度；以燃料最优为目标，建立轨迹优化的约束条件和目标函数，所述约束条件包括初始时刻状态、终端时刻状态、发动机推力幅值、推力角度幅值以及安全距离；所述约束条件为：定义初始时刻t0状态：xt0＝[r0；θ0；φ0；vr0；vθ0；vφ0；m0]，其中r0、θ0、φ0、vr0、vθ0、vφ0、m0分别表示r、θ、φ、vr、vθ、vφ、m在初始时刻时的值；定义终端时刻tF状态：xtF＝[rF；θF；φF；vrF；vθF；vφF；mF]，其中rF、θF、φF、vrF、vθF、vφF、mF分别表示r、θ、φ、vr、vθ、vφ、m在终端时刻时的值；设定发动机推力幅值的范围，即满足：Tmin表示发动机的最小推力幅值；设定飞行器推力角度幅值范围，即满足：0≤α≤π；0≤β≤π；设定安全距离范围：r≥R+HR0，其中，R表示月球平均半径，H表示预设的安全高度阈值；所述目标函数为：J＝m0-mF；其中，mF表示终端时刻飞行器质量；步骤二、对所述轨迹优化模型进行变换，获取变换后的轨迹优化模型；具体包括：基于无损凸化理论，引入松弛变量对轨迹优化模型中的约束条件进行变换；引入时间控制量对所述动力学模型方程进行变换；利用切比雪夫正交配点法对变换后的动力学模型方程进行离散化；步骤三、对变换后的轨迹优化模型进行迭代求解，获得上升段轨迹或下降段轨迹中所有位置点的位置序列、速度序列、发动机推力幅值序列以及飞行器的俯仰角和偏航角序列。

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百度查询： 哈尔滨工业大学 基于无损凸化和Chebyshev正交配点法的月面飞行器轨迹优化方法