月面软着陆的制导与控制方法研究

摘要

月面软着陆是人类进行月球探测面临的一个关键性问题，而导航、制导与控制又是月面软着陆的关键性技术。本文以国家自然科学基金重点资助项目“月球探测系统的建模、传感、导航和控制基础理论及关键技术研究”为背景，在系统总结这一领域研究现状的基础上，应用最优控制与非线性控制方法，依照最优性、稳定性的要求，针对登月飞行器定点软着陆的制导与控制，进行了深入研究。
　　本文研究重点是设计飞行器软着陆过程的动力下降段和最终着陆段的制导律和控制律。主要分为两大部分：第一部分是动力下降段的燃料最优制导律的设计，第二部分是最终着陆段姿轨联合控制律的设计。
　　首先，针对月面定点软着陆问题，在考虑月球自转和登月飞行器侧向移动的基础上，基于落点坐标系建立了登月飞行器动力下降段三维动力学模型。随后，根据飞行器姿态运动学和动力学特性，建立了姿态动力学模型。并在此基础上，分析了姿态与轨道耦合关系，建立了飞行器姿轨耦合动力学模型。
　　其次，考虑到控制信号的幅值限制、状态约束和终端约束等要求，对动力下降段的燃料最优控制问题进行了研究。利用约束变换技术将该问题转化为标准的具有不等式约束和终端约束的非线性最优控制问题。然后利用时间尺度变换技术和强化技术将标准的规范型最优控制问题转化为静态参数优化问题，随后采用经典的优化方法，利用优化软件MISER3.2可以得到最优连续解的一组分段线性逼近解，即分段参数化控制器，并给出了仿真结果。
　　基于获得的参数化最优解，得到轨控发动机最优推力大小和最优推力方向。由于轨控发动机固联于飞行器机体，推力方向通过姿态调整实现。因此，为保证在动力下降过程中轨控发动机的燃料最优推力方向，设计了姿态跟踪控制律。通过仿真，验证了姿态跟踪控制律的有效性，并分析了由于姿态跟踪存在的延迟性对动力下降过程带来的影响。
　　最后，为进一步提高软着陆的着陆精度和机动性，针对飞行器软着陆的最终着陆段，基于姿态轨道耦合动力学模型，提出了姿态轨道联合控制律，并证明了闭环系统的渐进稳定性。最后通过仿真，与传统的最终着陆方法进行对比，验证了所提出的姿轨联合控制着陆方案的有效性和优越性。

目录

月面软着陆的制导与控制方法研究

GUIDANCE AND CONTROL FOR LUNAR SOFT LANDING

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究历史及现状

1.3本文研究内容

第2章登月飞行器动力学建模

2.1登月飞行器轨道动力学模型

2.2登月飞行器姿态动力学模型

2.3登月飞行器姿态轨道耦合动力学模型

2.4本章小结

第3章动力下降段燃料最优制导律设计

3.1参数化控制设计方法

3.2登月飞行器动力下降段参数化制导律设计

3.3仿真分析

3.4本章小结

第4章动力下降段姿态跟踪控制律设计

4.1引言

4.2问题描述

4.3相关理论基础

4.4姿态跟踪控制率设计

4.5仿真分析

4.6本章小结

第5章登月飞行器软着陆末端姿轨联合控制

5.1问题描述

5.2姿轨联合控制律设计

5.3仿真分析

5.4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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致谢