基于Bezier形函数的小行星不规则引力场着陆轨迹快速优化

【作者】 冯文煜； 齐乃明； 齐骥； 王有峰； 于泽； 赵钧； 霍明英；

【机构】 哈尔滨工业大学航天学院； 上海航天控制技术研究所；

【摘要】 太阳系内小行星数量众多,分布广泛,且由于小行星很好地保留了太阳系形成初期的原始信息,因此,对小行星的探测研究也是人类了解太阳系起源与演化的重要手段。人类对小行星的探测从最初的远距离光学观测到后来的近距离绕飞探测再到如今的着陆探测与采样返回,探测手段越来越先进,对小行星的了解也越来越深入,然而由于小行星的形状不规则、质量分布不均匀、自旋状态不稳定等所造成的小行星引力场不规则等因素的影响,也给人类对小行星进行进一步的深入探测带来了新的挑战。因此,本文针对小行星着陆探测中不规则引力场下的着陆轨迹快速优化问题进行了研究,基于传统多面体法对小行星表面附近不规则引力场进行精确建模,并建立了探测器着陆全过程的动力学模型。同时,以探测器着陆燃料消耗最少为优化指标,首先基于Bezier形函数进行探测器着陆轨迹规划,在满足初始及末端边界约束条件的基础上,通过对Bezier形函数的未知系数进行优化,使其满足探测器着陆过程的动力学约束,从而保证了所获得优化计算结果的准确性。并且由于Bezier形函数所需进行优化的未知变量较少,在进行优化计算时的计算量也大大减少,因此优化计算速度相比其他方法更快。在保证优化结果可行性的前提下,基于Bezier形函数的小行星不规则引力场着陆轨迹快速优化方法可以获得与传统直接法(Gauss伪普法)优化指标相差5%以内的优化结果,而所用的计算时间仅为传统直接法计算时间的1%,大大提升了小行星不规则引力场着陆轨迹快速优化效率。更多还原