月球軟著陸自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制問(wèn)題研究.pdf

1、2007年10月24日，隨著”嫦娥一號(hào)”的發(fā)射升空,中國(guó)邁出了月球探索的第一步。中國(guó)的探月計(jì)劃將分為三步走：繞、落、回。后續(xù)，我國(guó)要在月球上(正面或背面)建立基地，開(kāi)發(fā)月球各種礦物資源，用于補(bǔ)充地球的能源。這就要求著陸器具有自主、定點(diǎn)軟著陸的能力。本論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“月球探測(cè)器的建模、傳感、導(dǎo)航與控制基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”,對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸的著陸器從環(huán)月軌道到月面這一過(guò)程中的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

2、
　　首先，介紹了從環(huán)月軌道上下降到月面的過(guò)程中的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)，給出了時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)的定義、不同參考坐標(biāo)系的定義和日月星歷的計(jì)算。建立了從環(huán)月軌道到月面過(guò)程中的不同階段的軌道動(dòng)力學(xué)、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及質(zhì)量流方程。
　　然后，為了給軟著陸動(dòng)力下降段提供高精度的導(dǎo)航起始點(diǎn)，本文研究了環(huán)月軌道上基于日地月方位信息的高精度自主導(dǎo)航算法。環(huán)月軌道上的導(dǎo)航系統(tǒng)采用日地月集成敏感器來(lái)確定日地月方位。研究了紫

3、外月球敏感器的測(cè)量原理，給出了測(cè)量數(shù)據(jù)的模擬方法。研究了敏感器成像時(shí)滿(mǎn)足的代數(shù)約束，給出了考慮月球扁率的月心矢量的精確確定方法。結(jié)合日地敏感器的輸出信息，利用雙矢量定姿原理和考慮常值系統(tǒng)偏差修正的最小二乘濾波算法得到了一套考慮月球扁率的自主定軌和定姿算法。數(shù)值仿真驗(yàn)證了這種導(dǎo)航算法的有效性,此方法能夠修正月球扁率對(duì)月心矢量確定的誤差,達(dá)到很高的導(dǎo)航精度。
　　為了實(shí)施軟著陸，探測(cè)器需要從初始的圓軌道上機(jī)動(dòng)到近月點(diǎn)高度為15 km的

4、橢圓軌道上，基于此背景，本文研究了兩種任意環(huán)月軌道之間的時(shí)間自由的最優(yōu)兩脈沖轉(zhuǎn)移，以主矢量理論和正則Mathieu變換為工具，將變邊界的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一組帶有27個(gè)未知常數(shù)的27個(gè)代數(shù)方程。利用非線(xiàn)性最小二乘方法求解這些未知常數(shù)，確定兩脈沖的轉(zhuǎn)移軌跡。數(shù)值仿真也驗(yàn)證了這種方法的有效性。這種方法還可以進(jìn)一步推廣到多脈沖轉(zhuǎn)移的情況。
　　接下來(lái)研究了基于嵌入自主性的動(dòng)力下降段的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制問(wèn)題?；诤侠淼募僭O(shè)，利用量綱分析、級(jí)

5、數(shù)展開(kāi)和待定系數(shù)法求解了動(dòng)力下降段的近似解析次優(yōu)解，設(shè)計(jì)了魯棒的自適應(yīng)控制器去跟蹤解析軌道。該控制器能很好的應(yīng)付燃料消耗、慣量矩陣、推進(jìn)器安裝誤差及部分推進(jìn)器失效帶來(lái)的參數(shù)或者模型不確定性。此外，本文設(shè)計(jì)了動(dòng)力下降段的輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，利用慣導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)估計(jì)探測(cè)器的位置、速度、角速度和四元素，并利用外部的高度計(jì)和速度計(jì)來(lái)修正IMU的累積誤差和初始導(dǎo)航誤差。解析式軌道和魯棒的自適應(yīng)控制器以及自主導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的嵌入自主性。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了

6、動(dòng)力下降段的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的合理性。
　　最后，進(jìn)行了終端著陸段的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。得出了最優(yōu)姿態(tài)角公式，以及特殊情形下的最優(yōu)解析軌跡。針對(duì)一般情形，最優(yōu)軌跡數(shù)值解的計(jì)算復(fù)雜性，由二次型最優(yōu)指標(biāo)，導(dǎo)出了時(shí)間自由和時(shí)間固定的多項(xiàng)式顯式制導(dǎo)律，以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸。設(shè)計(jì)了帶終端姿態(tài)約束的多項(xiàng)式制導(dǎo)律，保證探測(cè)器以垂直的姿態(tài)在月面上實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)著陸。另一方面，動(dòng)力下降段中的姿態(tài)控制器部分可以直接應(yīng)用于終端著陸段。終端著陸段同樣