月球探测器精确软着陆制导算法研究

发布时间：2020-06-20 21:06

【摘要】：月球软着陆是人类进行月球探测不可缺少的一个环节,而导航、制导与控制技术又是月球软着陆的一个关键性技术。本文根据哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心承担的“月球软着陆高精度导航与制导方法研究”的课题任务要求,应用最优控制方法,对月球探测器精确软着陆的制导问题进行了深入与系统的研究,论文开展的研究工作如下。针对月球探测器非定点软着陆问题,根据经典最优控制理论中的Pontryagin极大值原理,设计最优制导律,证明了软着陆过程中任意连续时间段内均不存在奇异情况,并应用非线性规划求解最优着陆轨迹。针对月球探测器三维精确定点软着陆问题,对动力下降段制导给出一种参数化控制与最优参数选择相结合的方法。这种方法的主要思想就是利用若干个分段的常值函数去逼近最优解,在此情况下最优控制问题将转化为一系列参数优化问题。首先将待定初始状态用与时间无关的系统参数的函数来表达,再用若干个分段的常值函数构造参数化控制器,通过不断增加参数个数,缩小每段参数的持续时间,重复优化可以得到一组无限逼近连续最优解的参数化解序列,最终得到了一条月球探测器精确软着陆的着陆轨迹。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V476.3;V448.2
【图文】：

示意图,嫦娥,软着陆,探测器

功软着陆在月球虹湾地区, 实现了我国首次地外天体软着陆任务。“嫦娥三号”卫星整个任务过程分为5个阶段: 发射段、地月转移段、环月段、动力下降段和月面工作段，其中动力下降段主要包含7个部分，如图1-1所示。 “嫦娥三号”卫星的GNC系统具备了自主完成着陆器动力下降过程的制导、导航、避障和控制的能力，自此中国继美国和前苏联之后，也具备了独立进行地外天体就位探测的能力。“嫦娥三号”卫星总质量约4吨, 携带推进剂约2吨。12月14日,嫦娥三号着陆器成功实现月面软着陆，并释放了“玉兔号”月球车。按照工作计划和相关程序，月球车将转入长期管理模式，在进行故障排查工作后，月球车上的全景相机、测月雷达等四台有效载荷按计划开展了科学探测。在此后的月昼工作期间，“玉兔号”月球车搭载的设备将根据需要在地面控制中心的指挥控制下开展后续探测工作。嫦娥三号着陆器和“玉兔号”月球车，圆满完成了工程任务，获取了大量工程数据和科学数据，为今后月球探测和科学研究打下了坚实基础。

示意图,月球探测器,示意图,停泊轨道

2.2.1 月球软着陆阶段划分月球探测器的软着陆过程主要分为 4 个阶段，如图 2-1 所示。图2-1 下降到月球的各轨道段示意图（1）离轨段；月球探测器通过变轨进入月球停泊轨道，进行绕飞，之后根据任务选定的着陆点坐标，发动机点火给探测器制动，探测器进入离轨段，开始向月球表面下降；（2）霍曼转移段；月球探测器与停泊轨道脱离，采用霍曼转移转入过渡轨道，一般来说会选取远月点高度约为100km，近月点高度约为15km的椭圆轨道，相比直接在100km处的高空进行减速制动，霍曼转移节省了探测器的燃料消耗

【参考文献】