嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略.doc

精选资料可修改编辑可修改编辑嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略摘要嫦娥三号于2013年12月2日1时30分成功发射，探测器在高速飞行情况下，通过多个发动机的脉冲组合以实现各种姿态的调整控制。要保证探测器在月球预定区域内实现软着陆，关键是着陆轨道与各个阶段控制策略的设计。本题要求我们根据嫦娥三号的预定着落点和六个阶段关键点的状态，建立数学模型，确定着陆准备轨道位置和六个阶段的最优控制策略，并对它们做相应的误差分析和敏感性分析。对于问题一，要求得着陆准备轨道（即椭圆轨道）近月点和远月点的位置，通过查阅资料，对一般底轨月球卫星，地球引力摄动几乎与月球非球形引力摄动相当，假设不能忽略地球扁率项摄动，通过建立嫦娥三号椭圆运动的主要摄动源及力模型，通过在3000m位置经纬度逆推法确定近月点的位置，并通过远月点和近月点位置关系，进而求出远月点位置。题目中要求远、近月点相应的速度，我们通过简化的椭圆轨道模型，根据开普勒第二定律和机械能守恒（由于月球无大气，着陆器环月飞行无能量耗散），列出相应公式，求出近月点和远月点的速度。对于问题二，要确定嫦娥三号的着陆轨道，我们采取基于蚁群算法的软着陆轨迹优化模型，将这一过程在二体模型下描述，建立整个过程的制动发动机推力方向角与时间t的关系函数。通过六个阶段的状态，确定线性方程。通过燃料消耗指标公式取得最小值，确定最优控制策略。对于问题三，首先我们通过将题目中附件3和附件4导入matlab中，得出高程图和等高图，可以判断哪块区域较平坦，给卫星水平移动提供理论依据。接着我们建立了初始状态误差模型和传感器误差模型。然后又通过误差分析系统的建立，误差敏感系数矩阵的求取方法和步骤的分析，得出设计的设计的着陆轨道和控制策略的误差分析和敏感性分析结论关键词：逆推法开普勒第二定律机械能守恒蚁群分析最优控制策略二体模型关系函数误差敏感系数矩阵问题重述嫦娥三号于HYPERLINK"http://zh.wikipedia.org/wiki/2013%E5%B9%B4"\o"2013年"2013年HYPERLINK"http://zh.wikipedia.org/wiki/12%E6%9C%882%E6%97%A5"\o"12月2日"12月2日1时30分成功发射，HYPERLINK"http://zh.wikipedia.org/wiki/12%E6%9C%886%E6%97%A5"\o"12月6日"12月6日抵达HYPERLINK"http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%88%E7%90%83%E8%BB%8C%E9%81%93"\o"月球轨道"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，可以满足调整速度的控制要求。在四周安装有姿态调整发动机，在给定主减速发动机的推力方向后，能够自动通过多个发动机的脉冲组合实现各种姿态的调整控制。嫦娥三号的预定着陆点为19.51W，44.12N，海拔为-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。根据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。既要满足每个阶段在关键点所处的状态，又要尽量减少软着陆过程的燃料消耗，我们需要建立数学模型并且讨论和求解以下问题：1．通过建立月心平赤道坐标系，确定椭圆形轨道近月点和远月点的位置；利用开普勒第二定律和机械能守恒，求出嫦娥三号相应速度的大小与方向。2.根据附件2嫦娥三号着陆过程的六个阶段及其状态要求，建立适当的模型，确定嫦娥三号的着陆轨道；并在满足减少软着陆过程燃料消耗情况下，确定6个阶段的最优控制策略。3.对于问题2中我们设计的着陆轨道和控制策略，结合附件3和附件4的高程图，做相应的误差分析和敏感性分析。二、问题假设1．假设月球为均匀引力场；2．假设着陆器软着陆过程中的月球自转忽略；3．假设着陆器在一个固定的铅垂面内运动；4．在模型一中，假设仅考虑地球引力摄动和月球非球形引力对着陆器的影响；5．在模型三中，假设不考虑摄动项对着陆器的影响；主要符号说明一览表符号符符号的含义及单位M月球的质量（kg）m着陆器的质量(kg)月球平均半径(km)月球赤道平均半径(km)F主发动机的推力（N）r着陆器与月心距离（km）v着陆器的径向速度(km/s)着陆器极角（rad）月球引力常数（）主发动机推力方向角，其定义为F与当地水平方向夹角（rad）ISP主发动机比冲（m/s）椭圆轨道近月点半径（km）椭