火星气动捕获制导方法研究

摘要

火星探测是人类了解太阳系，研究太阳系生命起源，进行行星探测的首选，当前世界各航天强国纷纷制定火星采样返回和火星载人返回等火星探测任务，并且为之积极筹备。轨道设计是其中的一个关键技术之一，利用火星大气实现探测器减速并进行变轨的气动捕获方法是一种可使探测器既节省燃料又可以快速进入火星停泊轨道的先进技术。 本硕士论文围绕火星气动捕获技术，着重研究了火星气动捕获过程中的三种制导方法。首先，为了分析探测器在整个气动捕获过程中的动态特性，基于给定的火星环境模型和探测器的构型，通过合理的假设和近似，结合气动捕获特性，建立了火星气动捕获过程的三自由度运动方程，为后面的制导算法设计分析提供必要的数学模型。其次，基于最初的复合预测校正方法（HYPAS），将气动捕获过程分为三个阶段，通过合理的假设和近似得到各个阶段的制导率。仿真结果表明，探测器在大气中具有较好的航向控制能力和侧向控制能力，在退出大气后可以到达预定的远火点。然后，考虑到复合预测校正算法中做了一些假设和近似处理，故而研究了假设条件比较少的数值预测校正算法。沿用了增强版的数值预测校正的气动捕获的制导逻辑，放宽了阶段改变的条件，适当修改了校正算法，使其能够用在低升阻比航天器上。仿真结果显示该算法可以完成制导，航天器可以达到预定的目标点。考虑到星载计算机的计算性能可能无法满足预测校正制导方法要求，故而研究了标称轨迹跟踪法。标称轨迹跟踪法基于反步法，利用扩展状态观测器，设计了具有自适应性的滑模控制器，该滑模控制器对抖动问题具有一定的抑制作用，结果显示能够很好的跟踪轨迹。

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