一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的方法

技术领域

本发明涉及一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的方法，属于航天器返回与着陆技术领域。

背景技术

为减小运载火箭分离体(包括整流罩、芯级、助推器)的落点散布，尽量降低分离体着陆给地面带来的安全风险，并有效减少落区疏散安置费用，研究分离体的空中再入末段控制很有必要。利用大型翼伞的可控滑翔功能可实现分离体的可控飞行，有效降低落区安全风险。本专利陈述的一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的方法是实现运载火箭助推器回收系统的重要组成部分，通过对翼伞的操纵控制，实现对运载火箭助推器着陆过程的定区域飞行控制。

运载火箭助推器与火箭主体分离后，将会在上升到最高点后呈现自由落体状态。其到达20km以下时，火箭助推器的垂直速度、水平速度、下降过程中的姿态变量等状态参数趋于稳定，此时回收系统开始依次启动各级降落伞逐级开伞用于降低助推器的垂直和水平方向速度，其中最末级降落伞为可控翼伞。可控翼伞具有可依据归航系统伺服机构的操纵控制其水平速度方向的特点。与主体分离后的运载火箭助推器在无控情况下自由坠落到地面的散布范围达2000km

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的方法，实现火箭助推器降落在安全区域，并且避开人员密集区域，从而达到理想的运载火箭助推器安全可控回收效果。

本发明采用的技术方案为：

一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的方法,包括：

(1)通过落区边界将落区划分为三个区域，分别是区域1、区域2和区域3；区域1在线目标矩形2和3的外部，区域2在线目标矩形2内部，区域3在线目标矩形3内部；

(2)判断翼伞投影点位于区域1、区域2还是区域3；

(3)当翼伞投影点在区域1时，操纵翼伞向线目标矩形2或3的边界飞行；选取翼伞投影点与线目标矩形2或3的外部边框垂足交点或边框端点中与翼伞投影点较近的点作为最优目标点；

(4)当翼伞投影点在区域2时，操纵翼伞向线目标矩形2内的目标点1、2、3、4飞行；取目标点1、2、3、4中与翼伞投影点最近点作为最优目标点；

(5)当翼伞投影点在区域3时，操纵翼伞向线目标矩形3内的目标点5、6、7、8飞行；取目标点5、6、7、8中与翼伞投影点最近点作为最优目标点。

进一步的，线目标矩形1为90*30km的助推器无控着陆状态下落区散布范围；伞降可着陆区域为矩形1内部的90*3km线目标矩形2和3。

进一步的，所述判断翼伞投影点位于区域1、区域2还是区域3，具体为：

判断翼伞投影点位置在线目标矩形2的内部还是外部，并设置相应标志Flag2，如果在内部则设置Flag2＝1，如果在外部则设置Flag2＝0；

判断翼伞投影点位置在线目标矩形3的内部还是外部，并设置相应标志Flag3，如果在内部则设置Flag3＝1，如果在外部则设置Flag3＝0；

如果Flag3＝0且Flag2＝0，则判定翼伞投影点位于区域1；

如果Flag2＝1且Flag3＝0，则判定翼伞投影点位于区域2；

如果Flag3＝1且Flag2＝0，则判定翼伞投影点位于区域3。

进一步的，判断翼伞投影点在线目标矩形内部还是外部的计算方法为：

假设翼伞投影点为P；

分别计算矩形ABCD边中点A1、B1、C1、D1坐标，并计算矩形中心点O坐标；

再计算翼伞投影点与矩形区域两个中心线的垂足点P1和P2点坐标；

再分别计算PP1、PP2、DD1和DC1长度，如果PP1

其中，PP1是指点P到P1的距离；PP2是指点P到P2的距离；DD1是指点D到D1的距离；DC1是指点D到C1的距离。

进一步的，当翼伞投影点在区域1时，最优目标点的锁定方法如下：

(3.1)计算翼伞投影点到线目标矩形2四条边界线段的垂足点，记为CuizuPoint_1、CuizuPoint_2、CuizuPoint_3、CuizuPoint_4；

(3.2)针对每个边对应的所述线段，分别判断Cuizu_Point_1～4是否在每条线段上还是线段外，如果在线段外则抛弃，假设有Q个点在线段上，则Q的取值范围为：Q>＝0且Q<＝4；如果存在位于线段上的垂足点则记为CuizuPointIn_1～CuizuPointIn_M，其中；M>＝1且M<＝4；

四个线段的两个端点分别记为DuandianPoint_A_1、DuandianPoint_B_1、DuandianPoint_A_2、DuandianPoint_B_2、DuandianPoint_A_3、DuandianPoint_B_3、DuandianPoint_A_4、DuandianPoint_B_4；

(3.3)分别计算翼伞投影点与线目标矩形2四个边上计算出的CuizuPointIn_1～CuizuPointIn_M、DuandianPoint_A_1～4、

DuandianPoint_B_1～4的距离，记为RecDistance_1～N，其中N>＝4且N<＝8；

(3.4)将RecDistance_1～N进行排序，选出最近目标点标记为RecDestinationPoint_J；该目标点即为翼伞投影点到线目标矩形2边框的最优目标点；

(3.5)同理，计算出翼伞投影点到线目标矩形3边框的最优目标点，记为RecDestinationPoint_K；

(3.6)分别计算翼伞投影点与目标点RecDestinationPoint_J和RecDestinationPoint_K的距离RecDistance_J和RecDistance_K；

(3.7)将RecDistance_J和RecDistance_K进行排序，选出最近目标点标记为RecDestinationPoint_L；

(3.8)RecDestinationPoint_L即为翼伞投影点相对线目标矩形2边框和线目标矩形3边框的实时最优目标点。

进一步的，判断翼伞投影点向线段作的垂线的垂足交点T位于线段AB上还是线段外的方法为：

分别计算点T与两线段端点A和B的距离DistanceTA、DistanceTB；

然后计算线段两端点的距离DistanceAB；

如果DistanceTA+DistanceTB＝DistanceAB，则说明T点在AB线段上；

如果DistanceTA+DistanceTB>DistanceAB；则说明T点在AB线段外。

进一步的，当翼伞投影点在区域2或者区域3时，最优目标点的锁定方法如下：

(4.1)分别计算翼伞投影点与多个目标点MultDestiPoint_1～MultDestiPoint_N的距离MultDestiDistance_1～MultDestiDistance_N；

(4.2)将MultDestiDistance_1～MultDestiDistance_N进行排序，选出最近目标点标记为MultDestiPoint_M；

(4.3)MultDestiPoint_M即为实时最优目标点。

进一步的，本发明还提出一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的系统,包括：

区域划分模块：通过落区边界将落区划分为三个区域，分别是区域1、区域2和区域3；区域1在线目标矩形2和3的外部，区域2在线目标矩形2内部，区域3在线目标矩形3内部；线目标矩形1为90*30km的助推器无控着陆状态下落区散布范围；伞降可着陆区域为矩形1内部的90*3km线目标矩形2和3；

区域判断模块：判断翼伞投影点位于区域1、区域2还是区域3；

最优目标点确定模块：当翼伞投影点在区域1时，操纵翼伞向线目标矩形2或3的边界飞行；选取翼伞投影点与线目标矩形2或3的外部边框垂足交点或边框端点中与翼伞投影点较近的点作为最优目标点；

当翼伞投影点在区域2时，操纵翼伞向线目标矩形2内的目标点1、2、3、4飞行；取目标点1、2、3、4中与翼伞投影点最近点作为最优目标点；

当翼伞投影点在区域3时，操纵翼伞向线目标矩形3内的目标点5、6、7、8飞行；取目标点5、6、7、8中与翼伞投影点最近点作为最优目标点。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明创新性的提出了一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的方法，在稳定高效降落的前提下实现了对多矩形落区的精准归航；

(2)本发明方法能够实时自动规划翼伞和助推器组合体最优飞行路线，并根据组合体的实时飞行状态参数对翼伞的最优飞行路线进行实时优化，对基于翼伞的助推器精确回收过程实现了有效控制；

(3)本发明方法针对翼伞助推器组合体精确回收需求创新性的提出了分区域的多种精确归航方法，能够满足翼伞助推器组合体精确可控回收过程的复杂状态，实现了自动化控制。

附图说明

图1为本发明多矩形归航落区示例图；

图2为本发明多矩形归航区域1归航示例图；

图3为本发明多矩形归航区域2、3归航示意图；

图4为本发明判断翼伞投影点是否在矩形区域内部还是外部的计算方法示意图；

图5为本发明判断翼伞投影点是否在线段上计算方法。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

翼伞为无动力减速装置，其开伞稳定后，垂直和水平速度数值也进入相对稳定状态，无法显著增大水平速度，因此在其归航能力不足以覆盖全部落区范围的情况下，乘可控翼伞回收的运载火箭助推器采用单一固定目标点的归航方法可能导致难以抵达预定目标落点区域，因此也难以避开村庄、乡镇等无法降落区域。

本发明提供了一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的方法，实现火箭助推器降落在安全区域，并且避开人员密集区域，从而达到理想的运载火箭助推器安全可控回收效果。

本发明提出一种采用可控翼伞实现助推器多矩形目标精确回收的方法,包括：

(1)通过落区边界将落区划分为三个区域，分别是区域1、区域2和区域3，见图1六边形标识。区域1在线目标矩形2和3的外部，区域2在线目标矩形2内部，区域3在线目标矩形3内部；

线目标矩形1为90*30km的助推器无控着陆状态下落区散布范围；伞降可着陆区域为矩形1内部的90*3km线目标矩形2和3；

(2)判断翼伞投影点位于区域1、区域2还是区域3；

(3)当翼伞投影点在区域1时，操纵翼伞向线目标矩形2或3的边界飞行；选取翼伞投影点与线目标矩形2或3的外部边框垂足交点或边框端点中与翼伞投影点较近的点作为最优目标点；见图2。

(4)当翼伞投影点在区域2时，操纵翼伞向线目标矩形2内的目标点1、2、3、4飞行；取目标点1、2、3、4中与翼伞投影点最近点作为最优目标点；

(5)当翼伞投影点在区域3时，操纵翼伞向线目标矩形3内的目标点5、6、7、8飞行；取目标点5、6、7、8中与翼伞投影点最近点作为最优目标点。

实施例：

运载火箭助推器无控着陆状态下落区散布范围为矩形区域。在矩形落区内选定两个伞降可着陆区域设为目标线(两个长矩形)，在目标线内选定多个落点(如图1示例为8个)、在落区范围内选定多个避障点(如图1示例为2个)，在火箭起飞前提前输入。落区示例图见图1。其中方形标志为落区边界标志，矩形1为助推器无控着陆状态下落区散布范围矩形边界，大小为90km×30km。矩形2和3为伞降可着陆区域双目标线矩形边界，宽3km×长90km。平行四边形4为避障区域边界，大小为10km×30km。8个三角形标志为目标点标志。2个五角星标志为避障点标志。六边形标志为翼伞落区区域划分编号，其中在矩形1、2、3外部记为区域1，在矩形2内部记为区域2，在矩形3内部记为区域3。

翼伞回收落点的目标是确保系统务必落在矩形2和3的内部(区域2和3)，并尽量落在矩形2和3内以目标点1～8(三角形标志)为圆心以翼伞最小转弯半径为半径的目标圆形区域内。并在此基础上尽量避免落在避障区域(矩形4)内部。因此矩形2和3内部目标点1～8的设置应尽量远离矩形4内部。

通过落区边界将落区划分为三个区域，见图1六边形标识1～3。

区域1在线目标矩形2和3的外部，当翼伞投影点在区域1时，操纵翼伞向线目标2或3的边界飞行。选取翼伞投影点与长矩形目标2和3的外部边框垂足交点或边框端点(选取其中与翼伞投影点最近点)作为最优目标点，见图2。

具体实现方法为：

a)计算翼伞投影点到线目标矩形2四条边界线段的垂足点，分别记为CuizuPoint_1、CuizuPoint_2、CuizuPoint_3、CuizuPoint_4；

b)针对每个边对应的所述线段，分别判断Cuizu_Point_1～4是否在每条线段上还是线段外，如果在线段外则抛弃，假设有Q个点在线段上，则Q的取值范围为：Q>＝0且Q<＝4。如果存在位于线段上的垂足点则记为CuizuPointIn_1～CuizuPointIn_M，其中；M>＝1且M<＝4。组成矩形2的四个线段每个线段分别有两个端点，每个端点分别记为DuandianPoint_A_1、DuandianPoint_B_1、DuandianPoint_A_2、DuandianPoint_B_2、DuandianPoint_A_3、DuandianPoint_B_3、DuandianPoint_A_4、DuandianPoint_B_4、。

分别计算翼伞投影点相对线目标矩形2四个边计算出的CuizuPointIn_1～CuizuPointIn_M、DuandianPoint_A_1～4、DuandianPoint_B_1～4的距离，记为RecDistance_1～N，其中N>＝4且N<＝8；

c)将RecDistance_1～N进行排序，选出最近目标点标记为RecDestinationPoint_J；该目标点为翼伞投影点到线目标矩形2边框的最优目标点；

d)再次用上面方法计算出翼伞投影点到线目标矩形3边框的最优目标点，记为RecDestinationPoint_K；

e)分别计算翼伞投影点与目标点RecDestinationPoint_J和RecDestinationPoint_K的距离RecDistance_J和RecDistance_K；

f)将RecDistance_J和RecDistance_K进行排序，选出最近目标点标记为RecDestinationPoint_L；

g)RecDestinationPoint_L即为翼伞投影点相对线目标矩形2边框和线目标矩形3边框的实时最优目标点。

区域2在线目标2的内部，当翼伞投影点在区域2内部时，操纵翼伞向目标2内目标点1、2、3、4飞行。取目标点1、2、3、4中与翼伞点最近点作为最优目标点。

区域3在线目标3的内部，当翼伞投影点在区域3内部时，操纵翼伞向目标2内目标点5、6、7、8飞行。取目标点5、6、7、8中与翼伞点最近点作为最优目标点。区域2和3的归航示例图见图3。

具体实现方法为：

a)分别计算翼伞投影点与多个目标点的距离MultDestiDistance_1～MultDestiDistance_N；

b)将MultDestiDistance_1～MultDestiDistance_N进行排序，选出最近目标点标记为MultDestiPoint_M；

c)MultDestiPoint_M即为实时最优目标点。

判断翼伞投影点位于区域1还是2或3的方法见图4，具体步骤为：

a)首先判断翼伞点在目标矩形2和3的内部还是外部，判断翼伞投影点是否在矩形区域内部还是外部的计算方法见图4：假设翼伞投影点为P，分别计算矩形ABCD边中点A

b)判断翼伞投影点位置在矩形2(图3方形标号)的内部还是外部；并设置相应标志Flag

c)判断翼伞投影点位置在矩形3(图3方形标号)的内部还是外部；并设置相应标志Flag

d)如果Flag

判断翼伞投影点向线段作的垂线的垂足交点T位于线段AB上还是线段外的方法见图5，具体步骤为：

a)分别计算点T与两线段端点A和B的距离DistanceTA、DistanceTB；

b)计算线段两端点的距离DistanceAB；

c)如果DistanceTA+DistanceTB＝DistanceAB；则说明T点在AB线段上；

d)如果DistanceTA+DistanceTB〉DistanceAB；则说明T点在AB线段外。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。