(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111306543.2 (22)申请日 2021.11.05 (71)申请人 中山大学 地址 510275 广东省广州市海珠区新港西 路135号 (72)发明人 梁海朝　王剑颖　李明儒　张亮　 李智　伍元培　罗云皓　车浩晖　 (74)专利代理 机构 广州三环 专利商标代理有限 公司 44202 代理人 陈志明　郝传鑫 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方 法、 装置及设备 (57)摘要 本申请涉及一种火星大气电离层穿刺探测 轨迹优化方法、 装置及设备， 其方法包括构建多 次改变近地点幅角的升力体飞行器运动方程； 建 立弹道参数与轨道参数的转换关系； 构建近地点 幅角方程， 并得到近地点幅角ω和弹道参数的关 系； 对近地点幅角ω进行局部敏感度分析， 将使 近地点幅角ω的敏感度最大的参数作为优化变 量， 使升力体飞行器每次飞出大气层时的速度达 到最大， 并通过选定不同的飞出点纬度φ， 明确 升体力飞行器飞出大气层时的位置； 基于Gauss 伪谱法对穿刺探测飞行轨迹进行优化， 得到需要 的再入轨迹。 解决了现有的火星大气电离层探测 方式存在探测区域片面、 可探测范围受限的问 题。 本申请具有对火星大气电离层进行更全面地 探测的效果。 权利要求书2页 说明书16页 附图5页 CN 114139277 A 2022.03.04 CN 114139277 A 1.一种火星大气电离层穿刺探测轨 迹优化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤， 构建多次改变近地 点幅角的升力体飞行器运动方程； 基于所述升力体飞行器运动方程， 建立弹道参数与轨道参数的转换关系； 基于所述弹道参数与轨道参数的转换关系， 构建近地点幅角方程， 并得到近地点幅角 ω和弹道参数的关系； 基于近地点幅角ω和弹道参数的关系， 对所述近地点幅角ω进行局部敏感度分析， 将 使近地点幅角ω的敏感度最大所对应的弹道参数作为优化变量， 同时， 使升力体飞行器每 次飞出大气层时的速度达到最大， 并通过选定不同的飞出点纬度φ， 明确升体力飞行器飞 出大气层时的位置； 基于Gaus s伪谱法对穿刺探测飞行轨 迹进行优化， 得到需要的再入轨 迹。 2.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法， 其特征在于， 所 述近地点幅角ω和弹道参数的关系包括， 近地点幅角ω与火心距r、 纬度φ、 速度v、 速度倾角γ以及速度偏角 ψ五个弹道参数相 关， 并且与火心距r、 纬度φ、 速度偏角 ψ、 速度v的平方以及速度倾角γ的平方是反三角函数 的关系。 3.根据权利要求2所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法， 其特征在于， 所 述对所述近地 点幅角ω进行局部敏感度分析的步骤 包括， 在预设的弹道参数范围内， 并在同一量度下， 采用直接求导法， 依次对纬度φ、 速度v、 速度倾角γ和速度偏角 ψ进行求偏导。 4.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法， 其特征在于， 所 述基于Gaus s伪谱法对穿刺探测飞行轨 迹进行优化的步骤 包括， 采用Legendre多项式的根作为离散点， 并将控制变量以及状态变量同时离散化， 再利 用序列二次规划算法进行寻优。 5.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法， 其特征在于， 所 述升力体飞行器运动方程包括升力体飞行器大气层内无动力三自由度再入运动方程和升 力体飞行器大气层外无动力三自由度运动方程。 6.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法， 其特征在于， 所 述建立弹道参数与轨道参数的转换关系的步骤 包括， 已知弹道参数， 根据火心距r、 飞行器的速度v、 飞行器的速度倾角γ、 火星引力常数 μ和 球面几何关系， 求得半长轴a、 偏心 率e、 真近点角f、 轨道 倾角i、 升交点赤经Ω和近地点幅角 ω。 7.根据权利要求1所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法， 其特征在于， 所 述建立弹道参数与轨道参数的转换关系的步骤 包括， 已知轨道参数， 根据半长轴a、 偏心率e、 真近点角f、 球面几何关系和火星引力常数 μ， 求 得火心距r、 飞行器的速度v、 飞行器的速度倾角γ、 纬度φ、 经度 θ、 飞行器的速度偏角 ψ。 8.根据权利要求1 ‑7任意一项所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨迹优化方法， 其 特征在于， 还 包括以下步骤， 基于Gauss伪谱法优化理论， 对所述穿刺探测 飞行动力学模型及其参数关系进行仿真 验证。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114139277 A 29.一种火星大气电离层穿刺探测飞行动力学与轨 迹优化装置， 其特 征在于， 包括， 运动方程模块， 用于构建多次改变近地 点幅角的升力体飞行器运动方程； 弹道参数与轨道参数转换模块， 用于基于所述升力体飞行器运动方程， 建立弹道参数 与轨道参数的转换关系； 近地点幅角ω和弹道参数关系模块， 用于基于所述弹道参数与轨道参数的转换关系， 构建近地 点幅角方程， 并得到 近地点幅角ω和弹道参数的关系； 优化模块， 用于基于近地点幅角ω和弹道参数的关系， 对所述近地点幅角ω进行局部 敏感度分析， 将使近地点幅角ω的敏感度最大所对应的弹道 参数作为优化变量， 同时， 使升 力体飞行器每次飞出大气层时的速度达到最大， 并通过选定不同的飞出点纬度φ， 明确升 体力飞行器飞出 大气层时的位置； 轨迹模块， 用于基于Gauss伪谱法对穿刺探测飞行轨迹进行优化， 得到需要的再入轨 迹。 10.一种计算机设备， 其特征在于， 包括存储器、 处理器以及存储在所述存储器中并可 在所述处理器上运行的计算机程序， 所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1 ‑8 任一项所述的一种火星大气电离层穿刺探测轨 迹优化方法的步骤。 11.一种计算机可读存储介质， 其特征在于， 所述计算机可读存储介质存储有计算机程 序， 所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1 ‑8任一项所述的一种火星大气电离层 穿刺探测轨 迹优化方法的步骤。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114139277 A 3