(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 202111498584.6 (22)申请日 2021.12.09 (71)申请人 北京航天自动控制研究所 地址 100854 北京市海淀区永定路5 0号 (72)发明人 王聪　宋征宇　巩庆海　吕新广　 何勇　胡海峰　 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) F42B 15/00(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种可重复使用火箭全程轨迹优化问题描 述方法 (57)摘要 本申请提供一种可重复使用火箭全程轨迹 优化问题描 述方法， 该方法， 包括： 将可重复使用 火箭全程分为上升段和着陆段； 分别确定上升段 和着陆段的运动方程和约束条件； 确定目标函 数； 基于目标函数、 各阶段的运动方程和约束条 件对可重复使用火箭全程轨迹进行优化。 本申请 提供的方法将可重复使用火箭全程分为上升段 和着陆段， 根据上升段和着陆段的运动方程和约 束条件、 目标函数进行优化， 降低了可重复使用 火箭优化问题维数， 解决了可重复使用火箭分离 后需在同一时刻考虑两种运动方程的优化问题。 权利要求书7页 说明书27页 附图1页 CN 114239256 A 2022.03.25 CN 114239256 A 1.一种可重复使用火箭全程轨 迹优化问题描述方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 将可重复使用火箭全程分为上升段和着陆段； 分别确定上升段和着陆段的运动方程和约束条件； 确定目标函数； 基于所述目标函数、 各阶段的运动方程和约束条件对可重复使用火箭全程轨迹进行优 化。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述可重复使用火箭包括 回收级运动体和 入轨级运动体。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述上升段参考坐标系为发射点惯性坐标 系， 所述着陆段参 考坐标系为垂直着陆坐标系。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 所述发射点惯性坐标系中， 坐标原点O为发 射点， OY轴沿地心与 发射点连线指向地表外， OX轴与OY轴垂直， 在水平面内指向发射方向， 与发射点子午面夹角为发射方位角， OZ轴满足右手定则。 5.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 所述上升段包括分离前上升段和入轨级飞 行段； 所述分离前上升段中， 包括 回收级运动体和入轨级运动体的运动特性， 其中， 回收级运 动体和入轨级运动体由回收级运动体中的发动机提供动力， 且， 回收级运动体和入轨级运 动体具有相同的运动特性； 入轨级飞行 段中， 仅包括入轨级运动体的运动特性。 6.根据权利要求5所述的方法， 其特 征在于， 确定上升段的运动方程和约束条件， 包括： 确定分离前 上升段的运动方程和入轨级飞行 段的运动方程； 确定分离前 上升段的约束条件和入轨级飞行 段的约束条件。 7.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于， 分离前上升段的运动方程包括 回收级运动 体的分离前 上升段运动方程和入轨级运动体的分离前 上升段运动方程； 确定分离前 上升段的运动方程， 包括： 确定所述回收级运动体的分离前 上升段运动方程 为： 其中， 为求一阶导数运算符， P1为所述回收级运动体的位置矢量， V1为所述回收级运动 体的速度矢量， T1为所述回收级运动体的发动机推力幅值， m1为所述回收级运动体的质量， m2为所述入轨级运动体的质量， u1为所述回收级运动体的推力 矢量， D为气动阻力， μ为地球 引力系数， r1为引力加速度分量使用的所述回收级运动体质心与地心之间距离矢量， dm1为 所述回收级运动体的发动机秒流 量； 确定所述入轨级运动体的分离前 上升段运动方程 为：权　利　要　求　书 1/7 页 2 CN 114239256 A 2其中， P2为所述入轨级运动体的位置矢量， V2为所述入轨级运动体的速度矢量， r2为引 力加速度分量使用的所述入轨级运动体质心与地心之间距离 矢量。 8.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于， 确定分离后入轨级飞行段的运动方程， 包 括： 确定入轨级飞行 段的运动方程 为： 其中， T2为所述入轨级运动体的发动机推力幅值， u2为所述入轨级运动体的推力矢量， dm2为所述入轨级运动体的发动机秒流 量。 9.根据权利要求6所述的方法， 其特 征在于， 确定分离前 上升段的约束条件， 包括： 确定发射初始状态约束条件、 推力方向约束条件、 竖直上升段约束条件、 质量约束条 件、 弯矩约束条件。 10.根据权利要求9所述的方法， 其特 征在于， 所述发射初始状态约束条件为： [P1， V1， m1， P2， V2， m2](t0)＝[P0， V0， m10， P0， V0， m20]； 其中， P1为所述回收级运动体的位置矢量， V1为所述回收级运动体的速度矢量， m1为所 述回收级运动体的质量， m2为所述入轨级运动体的质量， P2为所述入轨级运动体的位置矢 量， V2为所述入轨级运动体的速度矢量， t0为可重复使用火箭发射时刻， P0为可重复使用火 箭的位置矢量， V0为可重复使用火箭的速度矢量， m10为所述回收级运动体在发射时刻的初 始质量， m20为所述入轨级运动体在发射时刻的初始质量。 11.根据权利要求9所述的方法， 其特 征在于， 所述推力方向约束条件， 包括： ||u1||＝1，‑1≤u1x， 1y， 1z≤1； 其中， u1为所述回收级运动体的推力矢量， u1＝[u1x， u1y， u1z]T， u1x为所述回收级运动体 在OX轴的推力方向， u1y为所述回收级运动体在OY轴的推力方向， u1z为所述回收级运动体在 OZ轴的推力方向。 12.根据权利要求9所述的方法， 其特 征在于， 所述竖直上升段约束条件， 包括： u1＝[0， 1， 0]T； 其中， u1为所述回收级运动体的推力矢量， u1＝[u1x， u1y， u1z]T， u1x为所述回收级运动体 在OX轴的推力方向， u1y为所述回收级运动体在OY轴的推力方向， u1z为所述回收级运动体在 OZ轴的推力方向。 13.根据权利要求9所述的方法， 其特 征在于， 所述质量约束条件， 包括： m1(ts)≥mf1min； ts≤tref； 其中， m1为所述回收级运动体的质量， mf1min为所述回收级运动体分离前最少剩余质量，权　利　要　求　书 2/7 页 3 CN 114239256 A 3