一種載人飛船自主應(yīng)急返回模式設(shè)計(jì)

張治國(guó)，劉新建， 閆 野

（1中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094；2國(guó)防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410073）

1 引言

載人航天區(qū)別于其它航天任務(wù)的一個(gè)重要特點(diǎn)是，它需要在飛行任務(wù)的全過(guò)程采取安全措施確保航天員的生命安全。上升段，可以采用逃逸飛行器或者是彈射座椅的方式進(jìn)行逃逸救生[1]，而運(yùn)行段則需要載人飛船能夠在故障發(fā)生后具備快速返回地面的能力。為此，除了飛船各系統(tǒng)合理安排飛行程序、緊密配合工作之外，重要的技術(shù)處理就是迅速獲取當(dāng)前軌道信息，并預(yù)報(bào)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的軌道，計(jì)算出飛船未來(lái)經(jīng)過(guò)事先選定的應(yīng)急落區(qū)，以及返回選定落區(qū)所需要的返回控制參數(shù)（如制動(dòng)時(shí)刻、制動(dòng)速度等），飛船就可以按照設(shè)定的程序?qū)嵤?yīng)急返回。如果飛船軌道變化不大，或者故障發(fā)生前地面有充足的時(shí)間定軌，并將軌道信息和經(jīng)過(guò)應(yīng)急落區(qū)的信息送飛船，那么可以采用為飛船提前注入返回控制參數(shù)的方式。

地面注入?yún)?shù)的方式，使得飛船應(yīng)急返回對(duì)地面測(cè)控的依賴(lài)較大，不具備真正的自主性。尤其在執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)時(shí)，一般需要經(jīng)歷多次變軌，且根據(jù)與目標(biāo)航天器的初始相位關(guān)系不同，變軌內(nèi)容變化較大。如果交會(huì)對(duì)接過(guò)程出現(xiàn)與軌道相關(guān)的故障導(dǎo)致需要應(yīng)急返回，則發(fā)生故障后飛船可能處于某種非預(yù)期的軌道狀態(tài)。因此，采用地面計(jì)算和注入的方式受到了定軌時(shí)間和注入測(cè)控條件的約束，存在地面不能及時(shí)注入新參數(shù)的問(wèn)題，需要新的設(shè)計(jì)方案[2]。根據(jù)上述交會(huì)對(duì)接飛行任務(wù)的新特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了飛船自主定軌、預(yù)報(bào)的應(yīng)急返回模式，該模式的主要特點(diǎn)是應(yīng)急返回相關(guān)的計(jì)算都由飛船完成。只要具備天基測(cè)控網(wǎng)的支持，并且飛船具備天基測(cè)量信息接收裝置，就可以在航天員啟動(dòng)自主應(yīng)急返回能力算法后，完成返回落區(qū)與制動(dòng)參數(shù)計(jì)算，并將相應(yīng)參數(shù)填入事先設(shè)計(jì)好的返回飛行程序，在無(wú)地面干預(yù)的情況下，飛船即可安全返回地面。

2 飛船自主應(yīng)急返回模式設(shè)計(jì)

自主應(yīng)急返回主要可以分為軌道預(yù)報(bào)、落點(diǎn)選擇、制動(dòng)速度修正三部分。

2.1 軌道預(yù)報(bào)

傳統(tǒng)的軌道確定系統(tǒng)通常是采用地基觀測(cè)的，但每個(gè)地面站所能獲得的測(cè)控弧段很短；對(duì)于一個(gè)地面站，可能是在飛船飛行若干圈后才能觀測(cè)到[3～5]。因此，若要達(dá)到較高的定軌精度，需要數(shù)目多、分布廣的地面站支持，或者需要經(jīng)過(guò)若干測(cè)控圈次之后才能完成，顯然不能滿(mǎn)足應(yīng)急救生快速反應(yīng)的要求。

采用天基測(cè)量平臺(tái)確定航天器的軌道將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[6]。天基測(cè)量信息獲取的便捷性，以及對(duì)航天器信息的綜合利用，是實(shí)現(xiàn)天基測(cè)量平臺(tái)定軌、預(yù)報(bào)的有利條件。

從解微分方程的角度來(lái)看，軌道計(jì)算就是將一個(gè)常微分方程初值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為邊值問(wèn)題（觀測(cè)值即“邊值”），由邊值條件反過(guò)來(lái)確定初值（軌道）（即“打靶法”），涉及到了求代數(shù)方程的解。當(dāng)然，計(jì)算過(guò)程中還要用到大量觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)特性，而不是簡(jiǎn)單的將一個(gè)初值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為邊值問(wèn)題來(lái)求解，這又將涉及到最優(yōu)估計(jì)問(wèn)題，因此也叫統(tǒng)計(jì)定軌。如采用上述精密定軌方法，需要積累較多的測(cè)量數(shù)據(jù)，因此必須采用新的簡(jiǎn)化算法。

本文設(shè)計(jì)的定軌及預(yù)報(bào)算法大致步驟如下。

2.1.1 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

為了定軌和預(yù)報(bào)，首先需要積累一段時(shí)間的測(cè)量數(shù)據(jù)。經(jīng)仿真試驗(yàn)，至少需要積累10min以上。積累的各時(shí)間點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，有可能是以WGS84坐標(biāo)形式給出，需轉(zhuǎn)化為J2000坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。在軌道預(yù)報(bào)過(guò)程中，也會(huì)多次進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

WGS84坐標(biāo)系與J2000坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換，涉及地球自身運(yùn)動(dòng)，包括復(fù)雜的時(shí)間系統(tǒng)、歲差、章動(dòng)以及極移等。如果轉(zhuǎn)換模型精度不夠，將導(dǎo)影響軌道預(yù)報(bào)精度，進(jìn)而影響返回參數(shù)的精度。為此，本文考慮采用利用國(guó)際IERS網(wǎng)站[7]發(fā)布的公報(bào)數(shù)據(jù)用查表的方式來(lái)簡(jiǎn)化運(yùn)算，并保證足夠高的轉(zhuǎn)換精度?？紤]的地球運(yùn)動(dòng)影響主要包括自轉(zhuǎn)、章動(dòng)、歲差。

2.1.2 用平根數(shù)法定軌和預(yù)報(bào)

平根數(shù)法是將根數(shù)的攝動(dòng)變化按其性質(zhì)分解成長(zhǎng)期變化、長(zhǎng)周期變化和短周期變化三部分。在一定條件下，平根數(shù)法可以構(gòu)成攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程小參數(shù)冪級(jí)數(shù)解。對(duì)于自主應(yīng)急返回計(jì)算而言，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以避免迭代求解微分方程，而僅僅利用代數(shù)運(yùn)算，便可以得到精度足夠高的軌道預(yù)報(bào)結(jié)果。

考慮軌道的小偏心率特性，采用如下非奇異軌道根數(shù)：α、i、Ω、ζ＝ecosω、η＝-esinω、λ＝M+ω，其中，a為半長(zhǎng)軸、i為軌道傾角、Ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)、e為偏心率、ω為近地點(diǎn)幅角、M為平近點(diǎn)角。

將地球半徑RE作為長(zhǎng)度計(jì)量單位，將地心距為RE的圓軌道繞地球1弧度的時(shí)間作為時(shí)間計(jì)量單位tu（806.8110649s）。對(duì)J2000坐標(biāo)系下軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理并轉(zhuǎn)化為歸一化的軌道根數(shù)。由各時(shí)刻的歸一化瞬時(shí)根數(shù)，可以求取對(duì)應(yīng)時(shí)刻的歸一化平根數(shù)?？梢越普J(rèn)為瞬時(shí)根數(shù)去除掉一階短周期項(xiàng)后就得到平根數(shù)。

定軌和預(yù)報(bào)時(shí)，只考慮地球J2項(xiàng)非球形攝動(dòng)和大氣阻力影響。應(yīng)用平根數(shù)時(shí)，對(duì)于地球非球形攝動(dòng)J2項(xiàng)，只須考慮一階短周期項(xiàng)和一階長(zhǎng)期項(xiàng)?？紤]大氣阻力時(shí)的t時(shí)刻瞬時(shí)根數(shù)與初始時(shí)刻平根數(shù)關(guān)系式為：

大氣阻力引起的軌道根數(shù)的變化有：

變量k為與大氣情況相關(guān)的系數(shù)，按下式計(jì)算：

式中，rp0以軌道近地點(diǎn)地心距代入，rp0=a（1-e）。B*是大氣阻力系數(shù)，在下表1中查詢(xún)（表1只給出部分?jǐn)?shù)據(jù)的示例）。Hp0是對(duì)應(yīng)的大氣標(biāo)高，以近地點(diǎn)軌道高度hp0為索引（hp0=rp0-RE，RE為地球半徑），在大氣參數(shù)表（示例見(jiàn)表1）中可以查詢(xún)。應(yīng)用該公式時(shí)，a未歸一化，單位為km。對(duì)于圓軌道，可取k=B*。

表1 大氣參數(shù)

利用（1）式，可以將積累的不同時(shí)刻的軌道測(cè)量數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換到末時(shí)刻tN。再對(duì)所有轉(zhuǎn)換到tN時(shí)刻的軌道平根數(shù)進(jìn)行平均處理。以的處理為例，具體方法為：

若m有個(gè)有效的測(cè)量點(diǎn)參加計(jì)算，得到m個(gè)值，去掉10%的最大值和10%的最小值，對(duì)余下的數(shù)值計(jì)算平均值即得到綜合后的aˉN。去除最大最小值的目的是去除積累的數(shù)據(jù)中由于各種誤差或者錯(cuò)誤造成的嚴(yán)重偏離真實(shí)值的數(shù)據(jù)。

將積累的軌道測(cè)量數(shù)據(jù)在積累數(shù)據(jù)的末時(shí)刻進(jìn)行平均處理而不是初始時(shí)刻，是因?yàn)檫M(jìn)行后續(xù)的軌道預(yù)報(bào)時(shí)將以平均處理后的時(shí)刻作為起點(diǎn)，從積累數(shù)據(jù)的末時(shí)刻開(kāi)始軌道預(yù)報(bào)，可以縮短進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)的時(shí)間。

以tN時(shí)刻作為預(yù)報(bào)開(kāi)始時(shí)刻，根據(jù)平均處理后的tN時(shí)刻軌道數(shù)據(jù)，按（1）式進(jìn)行軌道外推。先外推t時(shí)刻的瞬時(shí)平根數(shù)，再根據(jù)t時(shí)刻的瞬時(shí)平根數(shù)加上瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的一階短周期項(xiàng)σs1求取該時(shí)刻的瞬時(shí)軌道根數(shù)。σs1的求取應(yīng)使用瞬時(shí)平根數(shù)。至此，可以通過(guò)瞬時(shí)軌道根數(shù)，計(jì)算得到t時(shí)刻的位置和速度。

通過(guò)上述方式進(jìn)行軌道確定和預(yù)報(bào)，精度受軌道高度和預(yù)報(bào)時(shí)間的影響。軌道高度越低，大氣阻力作用越明顯，對(duì)精度影響越大。對(duì)于300km高度的軌道，預(yù)報(bào)5h位置誤差可小于1km，速度誤差可小于1m/s。

2.1.3 落點(diǎn)與返回參數(shù)計(jì)算

對(duì)于落點(diǎn)和返回相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)數(shù)值積分迭代算法模型進(jìn)行辨識(shí)。制動(dòng)速度通過(guò)簡(jiǎn)單迭代計(jì)算得到。

前面的軌道預(yù)報(bào)計(jì)算部分，直接得到的是J2000坐標(biāo)系下的參數(shù)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入?yún)?shù)要求的是在WGS84坐標(biāo)系下表述的位置和速度。因此，需要將軌道預(yù)報(bào)的結(jié)果，從J2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到WGS84坐標(biāo)系。

可以使用地心距r、速度v、速度在射面內(nèi)的速度傾角θ、緯度幅角u等信息作為輸入量，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]計(jì)算落點(diǎn)和返回參數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)必須按照指定順序組成輸入列陣，如I=[u，r，θ，v]T，并且使用指定的單位。如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)樣本量很大，且輸入輸出變量的變化范圍較大，為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理效率，可以對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即把數(shù)據(jù)歸一化為單位方差和零均值。

為了使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練能得到精度較高的輸出結(jié)果，可采用多輸入單輸出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如果要得到不同物理含義的輸出參數(shù)，都需要獨(dú)立設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)、分別進(jìn)行訓(xùn)練得到各自的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型。系數(shù)的維數(shù)根據(jù)擬合目標(biāo)的復(fù)雜情況而定，這里一般在7-14之間。由4個(gè)輸入?yún)?shù)計(jì)算輸出參數(shù)O（標(biāo)量）的方法為：

其中，O1、O2為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層的輸出，為矩陣形式。W、W1、W2、b1、b2、b3均為經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的參數(shù)矩陣。f（·）函數(shù)表示對(duì)自變量矩陣中的每個(gè)元素進(jìn)行如下計(jì)算（式中e為自然對(duì)數(shù)的底）：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與高精度數(shù)值仿真模型之間的相似的輸入輸出關(guān)系。通過(guò)大量的數(shù)值仿真訓(xùn)練，使得同樣的輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與高精度數(shù)值模型得到的輸出之間具有足夠小的誤差。在設(shè)計(jì)中需要盡可能擴(kuò)大樣本數(shù)量，使樣本空間涵蓋整個(gè)飛船可能的軌道狀態(tài)。在確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)的過(guò)程中，可以將軌道計(jì)算分兩組進(jìn)行：一組為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練用軌道，按照一定的數(shù)值間隔通過(guò)“窮舉”的方法確定，對(duì)每條軌道使用精度較高的數(shù)值積分方法分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的落點(diǎn)及其他特征參數(shù)，并將設(shè)計(jì)結(jié)果記錄下來(lái)，供網(wǎng)絡(luò)系數(shù)確定使用；另外一組為驗(yàn)證軌道，通過(guò)隨機(jī)方法確定初始軌道參數(shù)，依據(jù)設(shè)計(jì)出來(lái)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)輸入軌道參數(shù)進(jìn)行返回特征參數(shù)計(jì)算，與數(shù)值算法比較驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法輸出結(jié)果的精度。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練[9]只需地面仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，得到從網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)到網(wǎng)絡(luò)輸出參數(shù)的計(jì)算模型，將所得的計(jì)算模型裝訂到飛船上即可。飛船計(jì)算時(shí)，將指定的輸入?yún)?shù)傳遞到此計(jì)算模塊，即可輸出相應(yīng)參數(shù)。其運(yùn)算全為矩陣代數(shù)運(yùn)算。

返回過(guò)程的控制變量，包括制動(dòng)速度、再入角、推返分離時(shí)刻、起旋時(shí)刻、消旋時(shí)刻等，返回特征參數(shù)，包括落點(diǎn)位置、飛行時(shí)間、最大過(guò)載等[10]。結(jié)合工程實(shí)施的便捷性，只考慮利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出推進(jìn)艙與返回艙分離時(shí)刻、落點(diǎn)經(jīng)緯度。其余參數(shù)結(jié)合迭代積分求解的返回仿真，選取為常值即可。例如，起旋時(shí)刻和消旋時(shí)刻可以選定為相對(duì)于制動(dòng)時(shí)刻的常值，只要制動(dòng)時(shí)刻確定，起旋時(shí)刻和消旋時(shí)刻也就能計(jì)算出來(lái)。

飛船制動(dòng)速度可以通過(guò)下面方法解析計(jì)算得到，計(jì)算過(guò)程無(wú)需要數(shù)值積分且精度較高，使用這一方法，可以使實(shí)際軌道再入角設(shè)計(jì)值的精度在0.1°范圍內(nèi)。具體公式如下：

其中，

式中，j為迭代次數(shù)，p為中間變量。vf0為制動(dòng)時(shí)刻飛船切向速率，vr0為制動(dòng)時(shí)刻飛船徑向速率。r1、r2分別為制動(dòng)點(diǎn)和再入點(diǎn)地心距，r1即制動(dòng)時(shí)的軌道半徑大小，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第2個(gè)輸入?yún)?shù)，r2對(duì)應(yīng)100km軌道高度，即地球半徑加上100km。α為設(shè)計(jì)再入速度傾角，β為等效制動(dòng)角，令ΔV的初值為0，β的初值為設(shè)計(jì)制動(dòng)角，計(jì)算出ΔV后使用式（9）對(duì)β進(jìn)行修正計(jì)算，然后再次計(jì)算ΔV。仿真分析表明，這一過(guò)程經(jīng)過(guò)4～5次（取為5）迭代后即可以得到較為準(zhǔn)確的制動(dòng)速度ΔV。式中，β按弧度進(jìn)行迭代計(jì)算，系數(shù)b根據(jù)計(jì)算精度和收斂速度選取。

2.2 落點(diǎn)選擇

軌道預(yù)報(bào)時(shí)，為了能選出制動(dòng)點(diǎn)，只能以一定步長(zhǎng)（如10s）進(jìn)行一段時(shí)間內(nèi)的軌道預(yù)報(bào)，得到一系列點(diǎn)的軌道位置、速度。將每一個(gè)點(diǎn)都通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，即將軌道上的點(diǎn)作為制動(dòng)點(diǎn)，得到與之對(duì)應(yīng)的落點(diǎn)經(jīng)緯度。由于地形地貌的限制、搜救能力的限制，自主應(yīng)急返回的落區(qū)只能是在全球范圍內(nèi)事先選定的一些區(qū)域，稱(chēng)為可選應(yīng)急落區(qū)。落點(diǎn)選擇，要完成的計(jì)算包括：

（1）判斷每一個(gè)制動(dòng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的落點(diǎn)是否過(guò)可選應(yīng)急落區(qū)，判斷后可以得到一系列分段連續(xù)的經(jīng)過(guò)可選應(yīng)急落區(qū)的點(diǎn)（分別形成經(jīng)過(guò)落區(qū)的弧段）。

（2）從進(jìn)入落區(qū)的弧段中，按照某種原則選出一個(gè)點(diǎn)作為備選落點(diǎn)，如選取弧段的中點(diǎn)。

（3）對(duì)備選落點(diǎn)進(jìn)行二次篩選，選出符合要求的供航天員選擇的落點(diǎn)。

對(duì)備選落點(diǎn)進(jìn)行二次篩選時(shí)，主要考慮的要求有：

（1）經(jīng)過(guò)落區(qū)的弧段必須大于一定的長(zhǎng)度，以容納落點(diǎn)在航向上的偏差。

（2）為容納落點(diǎn)在航跡法線(xiàn)方向的偏差，需以備選落點(diǎn)為中心，構(gòu)造設(shè)定長(zhǎng)和寬的矩形（矩形的長(zhǎng)邊平行于航跡方向），要求該矩形的四個(gè)頂點(diǎn)必須都在落區(qū)內(nèi)。

（3）落點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自主應(yīng)急返回程序啟動(dòng)時(shí)刻在合理的時(shí)間范圍內(nèi)，使得航天員有足夠時(shí)間選擇，并不至于太晚而超出救生允許范圍。

判斷落點(diǎn)是否在落區(qū)內(nèi)的方法是：首先使用列矢量表示落點(diǎn)：P=[γi，φi，0 ]T，γf和 φf(shuō)分別是落點(diǎn)經(jīng)度和緯度。設(shè)落區(qū)為由n個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成的凸多邊形，凸多邊形頂點(diǎn)按逆時(shí)針?lè)较蛞来尉幪?hào)為1，2，3，…，對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度分別為（γi，φi），i∈1,2，…，n，使用下面列矢量表示各頂點(diǎn)坐標(biāo)：

若落區(qū)為凹多邊形，則可將其分解為多個(gè)子凸多邊形，分別判斷γf和φf(shuō)是否在各子凸多邊形區(qū)內(nèi)，只要有一個(gè)落在其中則認(rèn)為落點(diǎn)在此落區(qū)內(nèi)。

判斷落點(diǎn)為中心的矩形區(qū)域是否完全在落區(qū)內(nèi)，需按如下步驟：

（1）矩形各頂點(diǎn)均在落區(qū)內(nèi)（按上述判斷一個(gè)點(diǎn)是否在落區(qū)內(nèi)的方法，矢量叉乘必須均大于零）；

（2）該落區(qū)各頂點(diǎn)全部不在矩形內(nèi)（判斷落區(qū)頂點(diǎn)不在矩形內(nèi)，矢量叉乘至少有一個(gè)小于零）。

同時(shí)滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件，則該落區(qū)為安全落區(qū)，落點(diǎn)為安全落點(diǎn)。落點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的制動(dòng)點(diǎn)和制動(dòng)時(shí)刻、自主應(yīng)急返回啟動(dòng)時(shí)刻等信息可以提供給航天員選擇。

上述第2項(xiàng)判別條件對(duì)于凹多邊形落區(qū)必須執(zhí)行，對(duì)于凸多邊形則不必要。

落區(qū)區(qū)域的劃分，理論上既可以是凸多邊形，也可以是凹多邊形。凹多邊形，有利于根據(jù)實(shí)際地形地貌，劃出面積盡可能大的落區(qū)。但凹多邊形在星上算法進(jìn)行安全落點(diǎn)判斷時(shí)，顯得不利于操作。在判斷落點(diǎn)是否在凹多邊形內(nèi)時(shí)，事實(shí)上不得不先將凹多邊形分割為多個(gè)凸多邊形處理。而相鄰的多個(gè)凸多邊形落區(qū)，在進(jìn)行安全落點(diǎn)判斷時(shí)，也有諸多不便。在此不詳細(xì)分析。為了簡(jiǎn)化處理，可以要求落區(qū)全為彼此不相鄰的凸多邊形。

2.3 制動(dòng)速度修正

由于飛船進(jìn)行的軌道確定和預(yù)報(bào)運(yùn)算，都用簡(jiǎn)化算法，且積累數(shù)據(jù)信息有限，不可避免地存在隨著軌道預(yù)報(bào)時(shí)間的延長(zhǎng)而使預(yù)報(bào)精度逐漸減弱的問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)返回控制參數(shù)的計(jì)算精度受到影響。自主應(yīng)急返回程序啟動(dòng)后，在制動(dòng)前進(jìn)行第二次軌道預(yù)報(bào)，并對(duì)制動(dòng)速度進(jìn)行修正，可以大大提高軌道預(yù)報(bào)精度和返回參數(shù)的正確性。

自主應(yīng)急返回程序啟動(dòng)之后，很難對(duì)制動(dòng)時(shí)刻進(jìn)行修改，而且瞄準(zhǔn)落點(diǎn)已經(jīng)選定（落點(diǎn)的改變可能會(huì)破壞對(duì)安全落點(diǎn)的判斷）。因此只能通過(guò)對(duì)既定的制動(dòng)時(shí)刻進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)（自主應(yīng)急返回啟動(dòng)后，距離制動(dòng)時(shí)刻時(shí)長(zhǎng)一般已在較短的范圍內(nèi)，軌道預(yù)報(bào)精度相比第一次已大大提高），然后根據(jù)新預(yù)報(bào)的制動(dòng)點(diǎn)位置、速度軌道進(jìn)行制動(dòng)速度修正，使得新計(jì)算的落點(diǎn)與瞄準(zhǔn)落點(diǎn)盡可能的接近。

第二次制動(dòng)速度修正計(jì)算模型依然可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方法獲得。

3 飛船自主應(yīng)急返回模式流程設(shè)計(jì)

自主應(yīng)急返回模式的大致流程設(shè)計(jì)如下：

（1）發(fā)生導(dǎo)致自主應(yīng)急返回的故障，確定需要啟動(dòng)自主應(yīng)急返回，航天員發(fā)出返回申請(qǐng)。

（2）接收并積累軌道測(cè)量數(shù)據(jù)，從測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)積累結(jié)束后開(kāi)始軌道預(yù)報(bào)。

（3）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算返回軌道參數(shù)，過(guò)落區(qū)情況。

（4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，向航天員提供可選落點(diǎn)供其選擇。

（5）航天員進(jìn)行落點(diǎn)選定。其操作需指定完成的時(shí)間范圍。若超出指定的時(shí)間范圍，將自動(dòng)終止應(yīng)急返回。

（6）自主應(yīng)急返回進(jìn)入倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)屏蔽變軌、軌道維持等操作。

（7）中止正常程序，并根據(jù)飛船自主計(jì)算的返回參數(shù)，生成自主應(yīng)急返回程序。

（8）當(dāng)前時(shí)刻到達(dá)選定落點(diǎn)對(duì)應(yīng)的返回程序啟動(dòng)時(shí)刻后，啟動(dòng)自主應(yīng)急返回固化程序，屏蔽新的自主應(yīng)急返回指令。

（9）飛船按照固化的自主應(yīng)急返回程序運(yùn)行。

（10）從“啟動(dòng)自主應(yīng)急返回”開(kāi)始，再次積累軌道測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行制動(dòng)速度修正計(jì)算。制動(dòng)前幾分鐘，將新計(jì)算的制動(dòng)速度發(fā)送給控制系統(tǒng)。

自主應(yīng)急返回的流程設(shè)計(jì)，主要考慮的是各分系統(tǒng)間的配合工作，同時(shí)兼顧未及時(shí)選定落點(diǎn)時(shí)返回模式的中止退出、各分系統(tǒng)間的信息確認(rèn)關(guān)系等。

4 結(jié)論

本文提出了一種飛船自主返回控制參數(shù)計(jì)算的應(yīng)急返回模式設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可以提高飛船對(duì)軌道變化的適應(yīng)能力，減少對(duì)地面測(cè)控條件的依賴(lài)，并具備工程可實(shí)施性，因此可應(yīng)用于交會(huì)對(duì)接飛行任務(wù)。其核心是飛船快速軌道預(yù)報(bào)算法和返回控制算法，全部為代數(shù)運(yùn)算，具有執(zhí)行效率高的特點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，在在嵌入式計(jì)算環(huán)境（CPU為MPC8245，主頻200M，內(nèi)存64M）上完成所有計(jì)算不超過(guò)10s，精度滿(mǎn)足要求。存在的不足主要包括：（1）軌道預(yù)報(bào)算法受大氣參數(shù)的影響較大。如果大氣阻力參數(shù)誤差較大，將明顯影響軌道預(yù)報(bào)精度。（2）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方法得到的計(jì)算模型只能在地面仿真時(shí)確定，并且受軌道傾角、制動(dòng)時(shí)飛船總質(zhì)量影響較大。如果飛船軌道傾角、制動(dòng)時(shí)總質(zhì)量偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)較大，將導(dǎo)致計(jì)算誤差增大。 ◇

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