嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略报告.doc

嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略 摘 要 嫦娥三号首次实现我国航天器在另一个地外天体上软着陆，是实现中国航天发展史上新的里程碑式的跨越。 嫦娥三号在着陆准备轨道上任一点受月球的引力始终指向月心，引力对月心的力矩为零，卫星对月心的角动量守恒。将机械能守恒定理与开普勒第二定律相结合，可以求得嫦娥三号在近月点与远月点处的速度分别为：1692.204m/s和1613.905 m/s，速度方向为轨道切线方向。 对于着陆轨道的优化设计，首先本文对探测器的着陆过程进行动力学分析，得到探测器运动微分方程组。在主减速段以最小燃料消耗为目标函数，构建适应度函数。其次，将轨道离散成多个小段，控制变量参数化，待定优化参数，在小段节点处通过多项式拟合，利用遗传算法求解，寻求一组优化参数状态运动，得到了整个轨道的控制曲线。 对于嫦娥三号软着陆自主避障的最优控制过程，本文首先对其软着陆过程动力学分析各状态变量和控制变量都随着轨道改变，加速度进行多项式函数逼近，建立微分方程模型变化过程，方差阈值评判着陆点的平坦性基于曲面逼近和蒙特卡罗模型对着陆点的开阔性进行描述方差 曲面逼近 蒙特卡罗2.4t，其安装在下部的主减速发动机能够产生1500N到7500N的可调节推力，其比冲为2940m/s，可以速度控制个发动机的脉冲组合实现姿态为9.51W，4412N，海拔2641m。嫦娥三号在高速飞行的情况下，要保证准确地在月球预定区域内实现软着陆，关键问题是着陆轨道与控制策略的设计。 其着陆轨道设计的基本要求：着陆准备轨道为近月点15km，远月点100km的椭圆形轨道；着陆轨道为从近月点至着陆点，其软着陆过程共分为6个阶段，要求满足每个阶段在关键点所处的状态；尽量减少软着陆过程的燃料消耗 （1）确定着陆准备轨道近月点位置 （2）确定嫦娥三号的着陆轨道和在6个阶段的最优控制策略。 （3）对于你们设计的着陆轨道和控制策略做相应的误差分析和敏感性分析。 背景说明 嫦娥三号(CE-3)是由中国自主研发的登月探测器12月14号在月球表面虹湾以东地区虹湾的月面虹湾是月球雨海西北部延伸出来的一个玄武岩平原平坦， 图1. CE-3着陆过程六个阶段示意图 各阶段的任务及状态要求如下： 着陆准备轨道：着陆准备轨道的近月点是15KM，远月点是100KM。近月点在月心坐标系的位置和软着陆轨道形态共同决定了着陆点的位置。 主减速段：主减速段采用惯性、激光、微波测距测速制导，主发动机提供减速动力，姿态发动机根据导航信息调整主发动机方向。主减速段的区间是距离月面15km到3km。该阶段的主要是减速，实现到距离月面3公里处嫦娥三号的速度降到57m/s。 快速调整段：快速调整段的主要是调整探测器姿态，需要从距离月面3km到 2.4km处将水平速度减为0m/s，即使主减速发动机的推力竖直向下，之后进入粗避障阶段。 粗避障段：粗避障段是根据分析星下光学敏感成像图片，启动姿态调整发动机，来初步避开大陨石坑。粗避障段的范围是距离月面2.4km到100m区间，其主要是要求避开大的陨石坑，实现在设计着陆点上方100m处悬停，并初步确定落月地点。嫦娥三号在距离月面2.4km处对正下方月面2300×2300m的范围进行拍照，可获得数字高程，并嫦娥三号在月面的垂直投影位于预定着陆区域的中心位置。 精避障段：精细避障段的区间是距离月面100m到30m。要求嫦娥三号悬停在距离月面100m处，对着陆点附近区域100m范围内拍摄图像，并获得三维数字高程图。分析三维数字高程图，避开较大的陨石坑，确定最佳着陆地点，实现在着陆点上方30m处水平方向速度为0m/s。 缓速下降阶段：缓速下降阶段的区间是距离月面30m到4m。该阶段的主要任务控制着陆器在距离月面4m处的速度为0m/s，即实现在距离月面4m处相对月面静止，之后关闭发动机，使嫦娥三号自由落体到精确有落月点。 根据目前研究现状，总结CE-3技术难点主要有以下几点： 图2. CE-3主要方面技术难点 由于月球没有大气，探测器着陆时无法利用大气制动，只能利用制动发动机来减速，在很大程度上限制了探测器所能携带有效载荷的质量[5]。直接着陆方式仅要求单冲量制动着陆所需的速度增量较小，可以多运送一些有效载荷。因此，实现软着路轨道设计的优化和控制策略的合理安排十分重要，但也是目前所面临的的最大难点。 问题分析 如何确定嫦娥三号着陆准备轨道近月点位置近月点 图1. 思路流程图 模型假设 着陆器的动力下降段从15km左右软着陆到非常接近月球表面的时间比较短，在几百秒的范围内，所以假设月球引力非球项、日月引力摄动等可以忽略不计。 假设月球探测器在一个固定的铅垂面内运动，不考虑侧向运动和月球自转的影响。 假设不存在天体碰撞等特殊情况，即月球正常运行的情况下。 模型建立与求解 模型1. 基于遗