火星探测器动力下降段制导律研究

摘要

在航天活动极大地拓展了人类活动范围之后,火星探测就成为继太空飞行、空间站实验以及阿波罗登月后的下一个探索目标。在火星着陆任务中,探测器的进入、下降及着陆是完成火星着陆任务的最后的也是最重要的几个阶段。特别是在着陆的最后阶段,即开启反推发动机进行减速并将探测器安全、可靠、高效地降落在指定着陆点所对应的动力下降段,是决定着陆探测任务成败的最重要的阶段之一,本文即针对火星探测器动力下降段制导律展开了研究。
　　首先,考虑发动机物理约束,建立了动力下降段探测器运动方程和各种约束模型;为了实现障碍回避,分别对已有二次多项式制导律和最优制导律进行了改进,并数值仿真对其性能进行了验证。
　　其次,为充分发挥所携带燃料作用,将含有推力上下限幅值约束等诸多因素的非线性非凸多约束优化问题等价转化为二阶锥优化问题,并针对典型约束进行燃料最优轨迹计算和分析;进一步地,针对探测器初始条件误差、参数不确定性、环境干扰等作用,采用滑模变结构控制方法设计了最优轨迹跟踪制导律,以确保探测器沿着燃料最优轨迹安全完成着陆任务。
　　考虑储存整个燃料轨迹会占用较大的存储空间,本文最后还提出使用一个优化得到的路径点完成着陆的新思路。在推导考虑非常值重力加速度和末端状态约束的情况下,推导给出了广义最优制导律;并提出了路径点的优化过程,通过给出连续可导的近似饱和函数,提升了路径点的计算效率;最后通过和开环燃料最优解的对比说明了该方法的优越性能。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2火星探测及着陆过程

1.3火星探测器动力下降段制导律研究现状

1.4本文的主要研究内容及章节安排

第2章 探测器运动方程及障碍回避制导

2.1引言

2.2探测器运动方程及物理约束

2.3二次多项式障碍回避制导律设计

2.4障碍回避最优制导律设计

2.5本章小结

第3章 燃料最优精确着陆轨迹优化及跟踪制导

3.1引言

3.2动力下降段燃料最优着陆轨迹优化

3.3燃料最优轨迹跟踪制导律设计

3.4本章小结

第4章 基于路径点优化的最优反馈制导

4.1引言

4.2基于ZEM/ZEV的广义最优制导律

4.3基于路径点优化的准燃料最优着陆制导

4.4数值仿真结果及分析

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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