月球着陆舱制动减速段的控制研究

摘要

在我国“嫦娥计划”的二期工程中，要实现月球探测器软着陆于月球表面。着陆舱在制动减速段的控制，对成功实现月面软着陆至关重要。本文针对月球着陆舱在制动减速段的运动情况进行了系统的分析，并且深入地研究了这一过程中着陆舱的制导与控制问题。论文的主要工作如下： 1．深入地研究了月球着陆舱在制动减速段的受力情况，合理地选取了数学坐标系，详细地分析了月球非球形摄动和月球引力异常，建立了具有安装误差的火箭发动机模型，并考虑了由月球自转而带来的诸多影响，建立了比较全面的六自由度数学模型。 2．本文针对制动减速段的运动情况和环境特点，对数学模型进行了合理的简化。以燃耗最优为出发点，通过对实际情况的分析，对姿态角进行合理的替代，求解得到无需进行迭代计算的期望姿态角计算公式，推导出仅与着陆舱的状态变量和终端约束相关的显式制导方案，并进行了仿真验证。 3．根据飞行任务对于姿态控制的要求，提取出月球着陆舱的姿态模型，基于滑模变结构控制方法，根据实际姿态角和期望姿态角的偏差，给出了线性滑动模态面的切换方程，采用指数趋近律和边界层削抖的方法，推导出期望控制力矩的计算公式。并研究了姿控发动机的配置特点和点火逻辑，给出了由期望力矩计算实际控制力矩的方法。 4．在MATLAB中搭建比较完整的月球着陆舱仿真模型。大回路仿真的结果表明，着陆舱数学模型具有较高的完整性和准确性，燃料次优制导是一种易于实现的显式制导方案，基于滑模变结构控制的姿态控制系统具有良好的动态性能和稳态性能。

目录

文摘

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第一章绪论

§1.1月球探测的重要意义

§1.2月球探测的历程和展望

§1.2.1月球探测的历程

§1.2.2月球探测的展望

§1.3我国月球探测的规划和现状

§1.4本文研究的主要内容

第二章月球着陆舱的系统概述

§2.1月球探测器软着陆过程的分析

§2.1.1月球探测器的飞行过程

§2.1.2月球探测器着陆段的飞行过程

§2.1.3月球探测器动力下降段的飞行过程

§2.2月球着陆舱主要系统的分析

§2.2.1着陆舱制导控制系统的构成

§2.2.2着陆舱推进系统的分析

§2.2.3着陆舱的设计方案

§2.3本章小节

第三章月球着陆舱的数学模型

§3.1着陆舱矢量形式的动力学方程

§3.1.1质心动力学方程

§3.1.2绕质心转动的动力学方程

§3.2需用的坐标系及其转换关系

§3.2.1需用的坐标系

§3.2.2需要用到的各坐标系间的转换关系

§3.3在制动软着陆坐标系中建立质心动力学方程

§3.3.1相对加速度的分解

§3.3.2主发动机推力的分解

§3.3.3月球引力的分解

§3.3.4离心惯性力和哥氏惯性力的分解

§3.3.5姿态发动机推力的分解

§3.3.6质心动力学方程

§3.4在制动软着陆坐标系中建立质心运动学方程

§3.5在本体坐标系中建立绕质心动力学方程

§3.5.1角加速度的分解

§3.5.2控制力矩的分解

§3.5.3扰动力矩的分解

§3.5.4绕质心转动动力学方程

§3.6补充的运动方程

§3.6.1绝对角速度和欧拉角的关系

§3.6.2地理位置信息计算

§3.6.3质量变化方程

§3.7月球着陆舱的数学模型

§3.8本章小节

第四章着陆舱制导控制方案的研究

§4.1软着陆制导控制的概述

§4.1.1月球软着陆对制动控制的要求

§4.1.2月球软着陆的制动控制的分类

§4.2燃耗最优的显式制导方案

§4.2.1月球着陆舱的简化模型

§4.2.2燃料最优制导率的求解

§4.2.3燃料次优显式制导方案的设计

§4.2.4仿真验证

§4.3本章小节

第五章着陆舱姿态控制系统的设计

§5.1姿态控制系统概述

§5.1.1姿态控制系统的任务

§5.1.2喷气姿态控制原理

§5.2滑模变结构姿态控制律的设计

§5.2.1姿态模型的选取及处理

§5.2.2滑模变结构控制的基本原理

§5.2.3姿态控制律的设计

§5.2.4姿控发动机的点火逻辑

§5.2.5仿真验证

§5.3本章小节

第六章着陆舱的六自由度仿真验证

§6.1仿真模型的构成

§6.1.1着陆舱舱体模块

§6.1.2着陆舱制导方案模块

§6.1.3着陆舱姿态控制系统模块

§6.1.4姿控发动模块

§6.1.5辅助模块

§6.2仿真结果

§6.3仿真结果分析

第七章结束语

§7.1本文的主要工作和结论

§7.2本文后续工作

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢