小型月球着陆器主减速段制导方法研究

发布时间：2017-10-02 12:17

  本文关键词：小型月球着陆器主减速段制导方法研究

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【摘要】：无人月球探测器小型化方案是国际上目前广泛采用的重要月球探测方案,小型月球探测器可搭载高清晰度成像相机、磁场探测器等多种轻型载荷,完成科学目标成像、月球水冰探测、月球溶洞探测以及月球磁场探测等科学目标。目前我国在模块化、轻小型探测器研制领域仍处于空白状态。因此本文对国际上的小型无人月球探测器进行了调研,并由此对配备固体火箭发动机作为主发动机的小型月球探测器制导与控制方案进行了研究。主要工作如下。首先,分析了小型月球探测器的构型特点,并在此基础上建立了小型月球探测器的导航、制导与控制系统(以下简称GNC系统)工作模型和质心、姿态动力学模型。模型中考虑了各个发动机推力偏心、偏斜产生的影响,并考虑了GNC系统离散的工作特性。然后,对末端水平速度约束条件下的主减速段制导律进行了研究。利用开普勒轨道的轨道参数与末端运动参数的对应关系,将末端运动参数约束转化为轨道参数约束,从而将轨迹规划问题转化为有限推力变轨问题,进而通过最小二乘修正方法得到制导律。该方法收敛性较好,而且迭代初值均为有实际意义的物理量,易于猜测。接下来,对末端高度约束条件下的主减速段制导律进行了研究。首先建立了制导惯性极坐标系下的动力学方程,将目标约束量作为状态量,然后将问题转化为最优控制问题。使用伪谱法可以方便地求出最优控制问题的解。在此基础上,针对给定发动机的配置,研究了主减速段航程的取值范围,并研究了该范围内的轨道特性,得到了一些有用的结论。最后,针对制导律标称姿态变化较快、主发动机偏心力矩较大的情况设计了一种姿态控制律。控制律以四元数作为参数,并引入偏差四元数,构造拟欧拉角以消除目标姿态的双值性。并利用摄动双积分系统的时间最优控制设计了姿态控制律。最后,将前文所述的几种制导律和姿态控制律代入GNC系统模型进行了六自由度仿真,得到了比较接近真实情况的GNC系统的工作特性。
【关键词】：月球探测器 主减速段 有限推力变轨 伪谱法 拟欧拉角
【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】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题来源、研究目的和意义9-10
• 1.2 小型月球探测器项目介绍10-14
• 1.2.1 美国“通用月球探测器”项目10-11
• 1.2.2“月球网络（ILN）”计划11-14
• 1.3 月球探测器主减速段制导技术研究现状14-17
• 1.4 研究内容及章节安排17-19
• 第2章 着陆探测器GNC系统描述19-31
• 2.1 着陆探测器GNC系统描述19-22
• 2.1.1 着陆探测器构型及飞行过程描述19-21
• 2.1.2 月球探测器GNC系统工作流程21-22
• 2.2 坐标系统22-25
• 2.2.1 坐标系定义22-24
• 2.2.2 坐标系转换关系24-25
• 2.3 惯性系下质心动力学模型25-26
• 2.4 目标点当地坐标系下质心动力学模型26-28
• 2.5 姿态动力学模型28-30
• 2.5.1 动力学模型28-29
• 2.5.2 运动学模型29-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第3章 水平速度约束条件下的制导律设计31-48
• 3.1 终端水平速度约束下主减速段飞行任务31-32
• 3.2 主减速段目标轨道设计32-36
• 3.2.1 目标点在轨道面内的情形33-34
• 3.2.2 目标点在轨道面外的情形34-36
• 3.3 终端水平速度约束下的有限推力制导策略36-42
• 3.3.1 共面情形下的制导策略37-40
• 3.3.2 非共面情况下的制导策略40-42
• 3.4 仿真分析42-46
• 3.4.1 共面制动情况42-44
• 3.4.2 非共面制动情况44-46
• 3.5 本章小结46-48
• 第4章 末端高度约束条件下的制导律设计48-61
• 4.1 末端高度约束的飞行任务48-49
• 4.2 基于伪谱法的主减速段轨道设计49-57
• 4.2.1 问题描述49-51
• 4.2.2 可达区域的求解51-55
• 4.2.3 带有航程约束的主减速段轨道设计55-57
• 4.3 航程约束对主减速段运动的影响57-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 姿态控制律设计及探测器六自由度仿真61-75
• 5.1 引言61
• 5.2 姿态跟踪控制策略61-64
• 5.2.1 控制系统采用的姿态动力学模型62
• 5.2.2 拟欧拉角的定义62-63
• 5.2.3 时间最优的开关控制律63-64
• 5.3 探测器主减速段六自由度仿真64-74
• 5.3.1 仿真条件64-65
• 5.3.2 约束水平速度的方案仿真65-72
• 5.3.3 约束末端高度的方案仿真72-74
• 5.4 本章小结74-75
• 结论75-77
• 参考文献77-82
• 致谢82

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本文编号：959561