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(嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略

嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略 一、问题重述 1.1引言 嫦娥三号于2013年12月2日1时30分成功发射,12月6日抵达月球轨道。嫦娥三号在着陆准备轨道上的运行质量为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(即单位质量的推进剂产生的推力)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10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。 二、问题分析 问题一: 问题要我们求着陆准备轨道近月点和远月点的位置,以及相应位置的速度大小与方向。首先我们要明确如何在月球上表示两个点的位置?速度的方向我们又应该如何表达?考虑到题目已给出我们一个着陆点19.51W,44.12N,所以我们选择在月球上建立一个坐标系,再做一系列减小误差的措施,故上述问题就解决了。至于速度的计算,显然会与第二问的最优策略有关,我们通过对最优控制策略的计算,逆推就能算得近月点与远月点的速度。 问题二: 问题要我们确定嫦娥三号的着陆轨道和在六个阶段的最优控制策略,嫦娥三号沿着陆准备轨道准备轨道近月点 为纬度处的卯酉圈曲率半径, 为坐标点的纬度 为坐标点的经度 为椭球第一偏心率, 推力控制角 主减速器推力 是以米/秒为单位的比冲 是单位时间燃料消耗的公斤数 月球引力常量 ? 着陆舱姿态角俯仰角 偏航角 γ 滚转角 a 长半轴 b 短半轴 G 万有引力常数 五、模型的建立与求解 5.1 问题一的建立与解答: 5.1.1 坐标系的定义 (1)月心坐标系{} 月心坐标系是和月心固连的坐标系。坐标系原点在月心上,垂直月球赤道面指向月球北极。轴在月球赤道面内。轴和与其他两轴垂直并构成右手坐标系,如图 5—1 —1所示。 (2) 月心极坐标系{} 这个坐标系是月心坐标系的极坐标形式,为动力下降段开始时月心和着陆舱质心的连线,方向由月心指向着陆舱质心,是 轴和轴的夹角。是轴在赤道面投影和轴的夹角。如图5—1 —1所示。 图5—1 —1 月心坐标系{}与{} 参考坐标系{} {}和原点重合,=,以绕轴旋转。如图5—1—2。 图5—1—2参考系{} (4)月面坐标系{} 坐标系原点在动力下降段开始时月心和着陆舱质心的连线与月面的交点,为动力下降段开始时月心和着陆舱质心的连线,方向由月心指向着陆舱质心。 与 和月球交点处的经线相切,轴和与其他两轴垂直并构成右手坐标系。 (5)舱体坐标系{} 坐标系的原点取在着陆舱的质心上,轴与舱体纵轴重合,指向顶部为正,轴位于舱体纵向对称面内指向上为正,和其他两轴垂直并构成右手坐标系。舱体坐标系和舱体固连,是动坐标系。 图5—1—3舱体坐标系 (6) 参考坐标系{} 坐标系原点位于与月面的交点处,为月心和着陆舱质心的连线,方向由月心指向着陆舱质心。与和月面交点处的经线相切,轴与其他两轴垂直并构成右手坐标系。如图5—1—2所示。 5.1.2 坐标系之间的转换关系 (1){}与极坐标系{}之间的关系及其转换 和分别为惯性坐标系{,}极坐标{,},两个坐标下的单位矢量: (5—1—1) (5—1—2) (5—1—3) (2) 月面坐标系{}与舱体坐标系{}之间的关系及其转换定义着陆舱姿态角俯仰角?,偏航角滚转角γ变换关系:先绕以角速度转,再绕(过渡坐标系)以角速度转,最后绕以角速度转,图5—1—4 (5—1—5) (5—1—6) 图5—1—4月面坐标系与舱体坐标系之间的关系 (3)月面坐标系与动体系之间的关系及其转变关系:先绕转,再绕(过渡体系)体系转,绕转。如图5—1—5。 令 图5—1—5月面坐标系与参考系之间的关系 (3-6) (3-7) (4)动体系与舱体体系{}之间的关系及其转换定义为推力方向角。变换关系如下:先绕转再绕转,最后绕转。

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