本發(fā)明涉及飛行控制，具體涉及一種高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，我國(guó)航天事業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。然而，隨著航天活動(dòng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，發(fā)射任務(wù)頻次不斷提高，運(yùn)載火箭的無(wú)控墜落已經(jīng)成為一個(gè)不可忽視的安全問(wèn)題，為了避免運(yùn)載火箭一子級(jí)殘骸墜入人口密集區(qū)，我國(guó)每年都投入大量的資金用于落區(qū)安全性分析及群眾疏散工作，但隨著人類活動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，這種完全依賴于人力的方法安全隱患也更加明顯，因此，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭一子級(jí)的可控回收迫在眉睫。

2、采用翼傘作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傘控回收技術(shù)是運(yùn)載火箭一子級(jí)可控回收方案中最具有潛力的方式之一，不僅能夠同時(shí)滿足固態(tài)火箭和液態(tài)火箭的回收需求，且飛行靈活，安全性較高；事實(shí)上，提升落區(qū)精度的首要方法是設(shè)計(jì)更加合理的歸航路線，目前常用于火箭一子級(jí)傘控回收任務(wù)的規(guī)劃方法主要是經(jīng)典的三段式分段歸航方法，該方法是將軌跡簡(jiǎn)化為直線和圓弧的組合，并同時(shí)保證較高的著陸精度和翼傘逆風(fēng)著陸的需求，具備良好的工程應(yīng)用前景。

3、然而，當(dāng)開傘點(diǎn)高度過(guò)高時(shí)，三段式分段算法規(guī)劃出的軌跡為了消耗掉冗余的高度，會(huì)驅(qū)使系統(tǒng)長(zhǎng)期處于盤旋階段，導(dǎo)致后續(xù)會(huì)產(chǎn)生大量的控制能量損耗；另外，火箭一子級(jí)傘控系統(tǒng)在進(jìn)入大氣邊界層后，很可能受到旺盛的熱氣流影響，翼傘傘衣發(fā)生折翼和塌陷等飛行問(wèn)題，存在相當(dāng)大的安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，該方案包括：建立歸航過(guò)程中運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)基于慣性系的質(zhì)點(diǎn)模型；結(jié)合風(fēng)場(chǎng)坐標(biāo)系和所述質(zhì)點(diǎn)模型確定運(yùn)載火箭回收系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；根據(jù)高度冗余情況下運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的飛行特性，將歸航過(guò)程劃分為高空歸航段、盤旋削高段、回歸階段、能量管理段和逆風(fēng)著陸段五個(gè)階段；獲取每個(gè)階段一子級(jí)系統(tǒng)航跡的位置和長(zhǎng)度的幾何關(guān)系，并確定運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的初始?xì)w航軌跡；建立目標(biāo)函數(shù)并采用啟發(fā)式粒子群尋優(yōu)算法對(duì)運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的位置進(jìn)行更新。本發(fā)明提出的五段式歸航算法能夠有效降低高度冗余情況下的能量損耗。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，包括：建立歸航過(guò)程中運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)基于慣性系的質(zhì)點(diǎn)模型；

3、結(jié)合風(fēng)場(chǎng)坐標(biāo)系和所述質(zhì)點(diǎn)模型確定運(yùn)載火箭回收系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；

4、根據(jù)高度冗余情況下運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的飛行特性，將歸航過(guò)程劃分為高空歸航段、盤旋削高段、回歸階段、能量管理段和逆風(fēng)著陸段五個(gè)階段；

5、基于運(yùn)載火箭回收系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取每個(gè)階段一子級(jí)系統(tǒng)航跡的位置和長(zhǎng)度的幾何關(guān)系，并確定運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的初始?xì)w航軌跡；

6、根據(jù)每個(gè)階段一子級(jí)系統(tǒng)航跡的位置和長(zhǎng)度的幾何關(guān)系建立目標(biāo)函數(shù)，采用啟發(fā)式粒子群尋優(yōu)算法對(duì)運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的位置進(jìn)行更新。

7、進(jìn)一步的，所述方法還包括：

8、當(dāng)所述運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的位置達(dá)到逆風(fēng)著陸段時(shí)，標(biāo)記當(dāng)前位置為啟動(dòng)點(diǎn)；

9、從啟動(dòng)點(diǎn)開始，利用隨機(jī)搜索樹算法對(duì)所述初始?xì)w航軌跡進(jìn)行修正，得到最終歸航路徑。

10、進(jìn)一步的，所述質(zhì)點(diǎn)模型具體為：

11、；

12、其中，表示空速，表示風(fēng)速在軸和軸上的分量，和分別表示系統(tǒng)基于慣性系的速度分量，下標(biāo)表示慣性系，表示海拔高度，為下降速度，上標(biāo)表示導(dǎo)數(shù)符號(hào)，表示偏航角，表示偏航角速率。

13、進(jìn)一步的，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)坐標(biāo)系和所述質(zhì)點(diǎn)模型確定運(yùn)載火箭回收系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，具體為：

14、所述風(fēng)場(chǎng)坐標(biāo)系表示為：；

15、其中，和分別表示在高度的水平風(fēng)速分量和豎直風(fēng)速分量，表示海拔高度，和分別表示系統(tǒng)基于慣性系的速度分量；

16、運(yùn)載火箭回收系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)為：

17、；

18、其中，和表示系統(tǒng)基于風(fēng)場(chǎng)坐標(biāo)系的位置，表示海拔高度，為下降速度，表示地面速度，表示偏航角，表示偏航角速率。

19、進(jìn)一步的，獲取每個(gè)階段一子級(jí)系統(tǒng)航跡的位置和長(zhǎng)度的幾何關(guān)系，包括：

20、設(shè)定開傘點(diǎn)坐標(biāo)為，初始方位角為，第一個(gè)過(guò)渡階段的圓心角和坐標(biāo)信息分別為：

21、；

22、；

23、其中，，表示盤旋方向，1表示逆時(shí)針，-1表示順時(shí)針，為過(guò)渡階段的盤旋半徑；

24、高空歸航段bc的初始點(diǎn)坐標(biāo)為：；

25、其中，；

26、高空歸航段的長(zhǎng)度和方位角分別為：

27、；

28、；

29、其中，表示盤旋削高段的半徑；

30、第二個(gè)過(guò)渡段圓心與風(fēng)坐標(biāo)系x軸之間的夾角和圓心角分別為：

31、；

32、；

33、盤旋削高段終點(diǎn)的位置坐標(biāo)為：

34、；

35、其中，，表示盤旋削高段圓弧的圓心角；

36、第三個(gè)過(guò)渡段的圓心角為：；

37、其中，；

38、回歸階段的矢量表示為：

39、；

40、其中，，表示進(jìn)入能量管理段的方位角；

41、該回歸階段的矢量與x軸正方向之間的夾角為：

42、；

43、第四個(gè)過(guò)渡段的圓心角為：；

44、能量管理段的圓心角和第五個(gè)過(guò)渡段的圓心角分別為：

45、；

46、；

47、逆風(fēng)著陸段的長(zhǎng)度為：

48、；

49、其中，為能量管理段的半徑。

50、進(jìn)一步的，根據(jù)每個(gè)階段一子級(jí)系統(tǒng)航跡的位置和長(zhǎng)度的幾何關(guān)系建立目標(biāo)函數(shù)，表示為：

51、；

52、其中，表示權(quán)重系數(shù)，和分別表示目標(biāo)點(diǎn)精度函數(shù)和能量最優(yōu)函數(shù)，具體為：

53、；

54、；

55、其中，為過(guò)渡階段的盤旋半徑，表示盤旋削高段的半徑，為能量管理段的半徑，分別表示各個(gè)階段圓弧的圓心角，為下降速度，表示地面速度，表示開傘點(diǎn)海拔，表示歸航時(shí)間。

56、進(jìn)一步的，采用啟發(fā)式粒子群尋優(yōu)算法對(duì)運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的位置進(jìn)行更新，具體為：

57、初始化為一組個(gè)數(shù)為的隨機(jī)粒子群，每個(gè)粒子具有速度和位置，在每次迭代中粒子通過(guò)跟蹤兩個(gè)極值和進(jìn)行更新，表示為：

58、；

59、其中，，為0和1之間的隨機(jī)數(shù)，和表示學(xué)習(xí)因子，是一個(gè)粒子本身經(jīng)歷的最佳位置，是粒子群經(jīng)歷的最優(yōu)位置。

60、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的五段式歸航算法，能夠有效解決三段式算法導(dǎo)致系統(tǒng)長(zhǎng)期處于盤旋狀態(tài)從而產(chǎn)生大量的控制能量損耗，和三段式算法相比能夠有效降低高度冗余情況下的能量損耗，同時(shí)，本發(fā)明基于火箭一子級(jí)傘控系統(tǒng)在進(jìn)入大氣邊界層后可能受到旺盛的熱氣流影響的問(wèn)題，提出采用隨機(jī)森林樹算法對(duì)系統(tǒng)的最后一個(gè)階段的歸航路徑進(jìn)行修正，提高了系統(tǒng)歸航的安全性。

技術(shù)特征：

1.高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，其特征在于：所述方法還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，其特征在于：所述質(zhì)點(diǎn)模型具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，其特征在于：結(jié)合風(fēng)場(chǎng)坐標(biāo)系和所述質(zhì)點(diǎn)模型確定運(yùn)載火箭回收系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，具體為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，其特征在于：獲取每個(gè)階段一子級(jí)系統(tǒng)航跡的位置和長(zhǎng)度的幾何關(guān)系，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，其特征在于：根據(jù)每個(gè)階段一子級(jí)系統(tǒng)航跡的位置和長(zhǎng)度的幾何關(guān)系建立目標(biāo)函數(shù)，表示為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法，其特征在于：采用啟發(fā)式粒子群尋優(yōu)算法對(duì)運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的位置進(jìn)行更新，具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及飛行控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高度冗余情況下的運(yùn)載火箭一子級(jí)傘控回收智能規(guī)劃方法。建立歸航過(guò)程中運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)基于慣性系的質(zhì)點(diǎn)模型；結(jié)合風(fēng)場(chǎng)坐標(biāo)系和所述質(zhì)點(diǎn)模型確定運(yùn)載火箭回收系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；根據(jù)高度冗余情況下運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的飛行特性，將歸航過(guò)程劃分為高空歸航段、盤旋削高段、回歸階段、能量管理段和逆風(fēng)著陸段五個(gè)階段；獲取每個(gè)階段一子級(jí)系統(tǒng)航跡的位置和長(zhǎng)度的幾何關(guān)系，并確定運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的初始?xì)w航軌跡；建立目標(biāo)函數(shù)并采用啟發(fā)式粒子群尋優(yōu)算法對(duì)運(yùn)載火箭一子級(jí)系統(tǒng)的位置進(jìn)行更新。本發(fā)明提出的五段式歸航算法能夠有效降低高度冗余情況下的能量損耗。

技術(shù)研發(fā)人員：郭一鳴,劉秉,閆建國(guó),邢小軍,肖冰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2