基于模型预测和扰动观测的新型火星探测器大气进入段制导与控制方法研究

摘要

火星探测是深空探测的一部分，具有探索太阳系和宇宙、扩展人类的生存空间、积极开发和利用空间资源、服务可持续发展的科学意义。几十年来，人类多次向火星发射火星探测器，在美国宇航局成功发射“火星科学实验室”(“好奇号”，Mars Science Laboratory, MSL)之前，火星探测任务一般采用无升力控制的弹道式进入，导致落点误差圆的半径达到数百千里，无法满足未来火星探测任务对着陆精度的要求。
　　本文基于火星科学实验室的模型，采用跟踪参考轨迹的阿波罗方式进入制导，着重围绕火星大气进入段的轨迹优化和轨迹跟踪问题展开了研究，具体内容如下:
　　首先建立了火星重力场模型、大气密度模型和探测器结构模型;在七大坐标系的基础上推导和建立了考虑火星自转与不考虑自转的进入段动力学模型。
　　接着利用高斯伪谱法进行大气进入段的探测器轨迹优化问题研究。以倾侧角为控制变量，取终端高度（开伞点高度）最大为性能指标，在满足进入段边界约束、路径约束（动压约束和驻点热流密度约束）和控制约束的情况下进行轨迹优化，得到了满足各类约束的最大开伞高度和大气进入的参考轨迹。
　　然后在不考虑火星自转时，利用多模型约束预测控制对进入参考轨迹进行跟踪制导。在进入时域取若干操作点，将动力学模型在各个操作点处线性化;对于每一个线性化的子模型设计约束预测控制;多个约束预测控制器通过切换策略进行整合。和基于PID控制的增益调度方法对比仿真表明，多模型约束预测控制在存在大气进入初值摄动、气动模型不确定性的情况下有很高的跟踪精度。
　　最后考虑火星自转和火星阵风的影响，建立了大气进入段探测器系统的多源干扰模型。利用扰动观测器估计出多源干扰，并且作为干扰信息加入到多模型约束预测控制的预测模型之中。仿真表明基于扰动观测的多模型约束预测控制具有抗多源干扰的能力，取得了更高的跟踪精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 火星探测的研究背景和研究意义

1．2．1 研究背景

1．2．2 研究意义

1．3 火星探测EDL过程综述与国外成功探测任务进入段总结

1．3．1 火星EDL过程

1．3．2 火星探测器的构型

1．3．3 火星大气进入段探测器制导方法

1．3．4 国外成功探测任务进入段总结

1．4 火星大气进入段探测器轨迹优化与跟踪难点及方法综述

1．4．1 火星大气进入段探测器轨迹优化与跟踪难点

1．4．2 火星大气进入段探测器轨迹优化方法综述

1．4．3 火星大气进入段探测器轨迹跟踪方法综述

1．5 论文主要内容及结构安排

1．5．1 论文主要内容

1．5．2 论文结构安排

第二章 火星大气进入动力学建模与分析

2．1 引言

2．2 火星大气进入动力学环境

2．2．1 火星基本参数

2．2．2 火星重力场模型

2．2．3 火星大气密度模型

2．2．4 MSL型火星探测器的几何构型

2．3 火星大气进入坐标系系统定义及其转化关系

2．4 火星大气进入动力学建模与分析

2．4．1 控制变量描述

2．4．2 火星大气进入三自由度建模及简化

2．4．3 火星大气进入纵向动力学模型

2．5 动态矩阵控制基本原理

2．6 本章小结

第三章 基于高斯伪谱法的火星大气进入轨迹优化研究

3．1 引言

3．2 高斯伪谱法的基本原理

3．3 基于高斯伪谱法的火星大气进入轨迹优化分析

3．3．1 优化性能指标

3．3．2 约束方程

3．3．3 仿真研究

3．4 本章小结

第四章 未考虑火星自转的大气进入轨迹跟踪方法研究

4．1 引言

4．2 基于PID增益调度方法的火星大气进入轨迹跟踪研究

4．2．1 参考轨迹

4．2．2 模型线性化

4．2．3 仿真研究

4．3 基于多模型约束预测控制的火星大气进入轨迹跟踪研究

4．3．1 单个约束预测控制的设计

4．3．2 仿真研究

4．4 本章小结

第五章 考虑火星自转的火星大气进入轨迹抗干扰跟踪方法研究

5．1 引言

5．2 考虑火星自转时的多源干扰模型建立分析

5．3 线性扰动观测器的基本原理

5．4 基于扰动观测的多模型约束预测控制策略

5．4．1 扰动观测

5．4．2 基于扰动观测的多模型约束预测控制设计

5．4．3 仿真研究

5．5 本章小结

第六章 结束语

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间研究成果