# PEGLand: 定点动力着陆制导

> [!CAUTION]
> 当你在kOS终端输入`pegland`时，Atmosphere Autopilot (AA) 模组会因为你敲下了字母`[P]`而被激活，导致姿态控制摇摆振荡。你可以再次敲下字母`[P]`解除AA的飞控，或者为它更换快捷键。

`pegland`是这个模组中最精彩的程序之一，从1980s NASA为航天飞机项目开发的PEG发射制导算法修改而来，实现真空环境下燃料最优的定点着陆。

参考文献：[An explicit solution to the exoatmospheric powered flight guidance and trajectory optimization problem for rocket propelled vehicles | Guidance, Navigation, and Control and Co-located Conferences](https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.1977-1051)

## 算法原理

PEGLand从一条合适的着陆轨道开始，引导飞船完成动力着陆的全过程。它包含三个制导段：

- 下降段 (descent phase)，从着陆轨道减速下降，瞄准着陆点附近。首先估计点火位置，在滑行到点火位置后，使用PEG算法迭代预测着陆点并更新控制参数，实现燃料最优的下降。**下降段中间没有无动力滑行段，程序将以几乎恒定的油门燃烧直至抵达地表附近**。如果航天器的引擎具有60%的节流能力，下降段是精确的。如果飞船引擎不具备足够的节流能力，为确保安全，制导程序将优先保证下降段终点的速度和高度，这将牺牲一部分着陆精度；
- 接近段 (approach phase)，从着陆点附近缓慢移动到着陆点上方50cm处。使用和阿波罗任务相同的二次制导算法，将着陆误差减少到分米级。接近段需要航天器有深节流引擎，能够允许航天器悬停，如果不具备条件可以取消接近段；
- 最终段 (final phase)，从着陆点上方缓慢下降，消除横向速度，以5cm/s的速度触地。

## 使用PEGLand

```kOS
switch to 0.  // 切换到航天中心的文档系统
run pegland(P_GUI, P_PREC, P_NOWAIT, P_ADJUST, P_ENGINE)
参数:
   P_GUI: 打开GUI。默认为true
   P_PREC: 添加接近段，高精度着陆。默认为false
   P_NOWAIT: 立刻启动下降程序，不要等待滑行至点火位置(即GUI窗口中的ignite_now)，默认为 false
   P_ADJUST: 目标修正向量。默认为 V(0,0,0)
   P_ENGINE: 引擎模式。
      “current”: (默认)使用当前已激活的引擎
      <标签>: 搜索符合标签的引擎，在点火时激活。在固体火箭时尤其有用
```

**示例：**

```kOS
switch to 0.  // 切换到航天中心的文档系统
run pegland.  // 打开PEGLand GUI (推荐用法)
run pegland(0,1,1). // 不打开GUI，立刻启动引擎执行下降，添加接近段
run pegland(0,0,0,V(0,0,0),"descent"). // 不打开GUI，使用标签为"descent"的引擎参数计算
run pegland(0,0,0,V(-50,10,1)).  // 移动目标：向南50米，向东10米，向上1米
```

## PEGLand GUI

PEG算法不是魔法，它需要在物理约束下运行，这意味着你需要为着陆准备合适的初始轨道。在激活PEGLand制导并开始迭代计算之前，我强烈推荐你点击`分析轨道数据`按钮快速分析一下你的着陆轨道，查看你是否具备着陆条件。它会给你两个指标，还有推荐的取值范围。在推荐的范围内，着陆过程的燃料需求基本都是一样的。但如果你偏离太远，会导致严重的燃料浪费，甚至制导发散。

`分析轨道数据`会把下一个机动节点也计算进去，如果你当前的轨道不合适，你可以计划一个机动节点，然后再用`分析轨道数据`查看是否合适。

- `descent distance`: 目标着陆点正上方的轨道高度。从过高的轨道开始下降，航天器需要向下俯仰加速，才能在有限时间内触及地面；而对于过低的轨道，航天器需要花费燃料维持高度。
- `lateral distance`: 着陆点偏离轨道平面的距离。PEGLand需要控制偏航角修正法向误差，法向距离过大会增加燃料消耗，甚至导致制导发散。

![](../pictures/PEGLand/gui_analyze_orbit.png)

在大多数情况下，你可以在PEGLand GUI中一键操作完成制导设置，并且可以在着陆过程中动态地调整参数。基本设置包含

- `Active`: 激活/停止制导程序。激活该按钮会让制导程序立刻开始计算并按计划执行着陆，停止制导会导致制导程序还原为初始状态
- `Ignite Now`: 立刻点火，不等待航天器滑行到点火位置
- `Add Approach Phase`: 添加接近段以实现精确着陆
- `start phase`: 从哪个制导段开始。如果你离地面已经很近了，速度也不快，可以从`final phase`开始软着陆
- `Roll`: 航天器滚转角
- `Emergency Suppress`: 紧急停止。立刻停止kOS对飞行器的姿态和油门控制，将控制权交还给你。

<img src=../pictures/PEGLand/gui_explained_chi.png width=60%>

### 调整着陆点

当PEGLand启动时，它会自动将激活的着陆点作为目标，如果没有激活的着陆点，它会转而寻找撞击点。如果连撞击点都没有，此时你需要自己手动设定着陆点。

你可以点击`use current waypoint`或`use impact point`或手动输入着陆点经纬度，**并点击`update target`**设置着陆点。在着陆过程中，如果你发现原来的着陆点不适合着陆，PEGLand还提供了非常方便的目视调整功能。点击`show target`在HUD上显示着陆位置，随后点击调整按钮，向前后左右东西南北移动着陆点，每次点击移动的距离可以在`Moving step`中设置。

`Find landing site within`按钮是更自动化的方法，它会在原来的目标周围一定范围内随机撒点，并寻找最平坦的着陆点。它还会告诉你新着陆点的坡度。

![](../pictures/PEGLand/gui_sample_site.png)

**注意：**

- 如果你位于一条撞击轨道上，直接使用撞击点作为着陆目标可能是不错的选择。或者你也可以选择从final phase开始进行无目标的着陆
- 仅有下降段和接近段允许调整着陆点
- 调整着陆点过多可能会导致制导发散
- 尽量在距离着陆点还远时调整
- 对于不具备节流能力的航天器，调整着陆点的意义不大

### 调整下降段目标

下降段目标需要人工设定，在大部分情况下默认设置足够满足要求。但也许你需要调整这些参数使接近段表现更符合预期。PEGLand中，下降段到接近段的切换逻辑有些复杂。下降段不会直接瞄准着陆点，而是在附近创建一个虚拟目标（下降段目标）。你需要指定该目标的位置和速度，以确保接下来的制导段有良好的开始。当你的航天器尚未到达该目标时（预估时间还剩`Quit Time`时），下降段制导退出，下一制导段激活。

<img src=../pictures/PEGLand/des2app.jpg width=60%>

![](../pictures/PEGLand/gui_explained_destarget.png)

主下降段目标由五个参数定义：

- `RT`: 距离地面高度
- `VRT`: 垂直下降速度
- `LT`: 距离目标水平距离
- `VLT`: 水平速度
- `Quit Time`: 下降段制导提前退出时间

为接近段准备良好的开始条件可以为你节约燃料并提升着陆精度。当接近段开始时，较长的距离和较慢的初始水平速度会拉长接近段的时间。接近段时间较长时会浪费燃料，油门也可能超过物理限制，时间较短则可能导致着陆精度不足。

⚠**注意**：从Descent Phase切换到Approach Phase时往往伴随俯仰变化，如果你的着陆器尺寸较大且姿态控制相应较慢，应适当延长`Quit Time`以提供充足的反应时间。

**下降段轨迹塑形**

PEG算法无法感知轨迹上的障碍物，因此在地面附近飞行时，撞上什么东西的概率大大提升。为此，PEGLand提供了轨迹塑形工具，允许你微调轨迹的高度。当你距离目标尚远时，塑形工具在下降段目标上方创建一个虚拟目标（塑形目标）并瞄准它，以此提升轨迹高度。当你越过距离阈值时，制导立刻将目标切换到下降段目标。

举个现实的例子，如果你的着陆点位于一座1.5km的山峰后面5km处，并且确认过你会撞上它，那么直到距离目标5km远之前，你应当瞄准目标点上方几百米处。

## Tips

1. 确保航天器满足着陆要求：充足的Δv，如果末段推重比范围包含1，推荐加入接近段以实现更优雅的着陆

2. 无论是GUI还是命令行模式下，PEGLand都会试图读取激活的导航点。你可以通过WaypointManager设置导航点，这样就可以免去手工输入经纬度的麻烦

   <img src=../pictures/PEGLand/waypointmanager.png width=60%>

3. 对于浅节流和不节流发动机，很遗憾我无法保证着陆精度（NASA的那帮天才也不能），不过你可以在坎巴拉中先模拟着陆一次，再根据着陆误差调整着陆点，这样可以把误差缩小到100米。如果你的船上有合适的RCS，可以手动向前或向后喷射RCS发动机以代替引擎节流，保持PEGLand中的预测误差在0附近。这样做不需要很多RCS燃料。

4. 如果在最终着陆时推重比过高，注意了，这样做比猎鹰九号的自杀式着陆更危险

5. 目前PEGLand仅支持单级火箭着陆，但你可以在着陆过程中切换引擎或分级，随后按下"0"键，程序会更新引擎参数。未来PEGLand不会针对多级火箭优化，虽然数学上可行，但预测未来分级的引擎参数超级麻烦

6. 在kOS终端输入命令时，其他的mod可能会被意外激活，比如**Atmosphere Autopilot (P)**。这些自动驾驶类mod会和kOS争夺控制权，导致飞船剧烈摇摆。**关闭其他自动驾驶，比如SAS，MechJeb和Atmosphere Autopilot**。
