嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略

嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略 一、问题重述 1.1引言 嫦娥三号于 2013年 12月 2日 1时 30分成功发射，12月 6日抵达月球轨道。嫦娥三号在着陆准备轨道上的运行质量为 2.4t，其安装在下部的主减速发动机能够产生 1500N到 7500N的可调节推力，其比冲（即单位质量的推进剂产生的推力）为 2940m/s，可以满足调整速度的控制要求。在其四周安装有姿态调整发动机，在给定主减速发动机的推力方向后，能够自动通过多个发动机的脉冲组合实现各种姿态的调整控制。嫦娥三号的预定着陆点为 19.51W，44.12N，海拔为-2641m。 嫦娥三号在高速飞行的情况下，要保证准确地在月球预定区域内实现软着陆,关键问题是着陆轨道与控制策略的设计。其着陆轨道设计的基本要求：着陆准备轨道为近月点15km，远月点10的椭圆形轨道；着陆轨道为从近月点至着陆点，其软着陆过程共分为6个阶段，要求满足每个阶段在关键点所处的状态；尽量减少软着陆过程的燃料消耗。 1.2问题的提出 （1）确定着陆准备轨道近月点和远月点的位置，以及嫦娥三号相应速度的大小与方向。 （2）确定嫦娥三号的着陆轨道和在 6个阶段的最优控制策略。 （3）对于你们设计的着陆轨道和控制策略做相应的误差分析和敏感性分析。 二、问题分析 问题一： 问题要我们求着陆准备轨道近月点和远月点的位置，以及相应位置的速度大小与方向。首先我们要明确如何在月球上表示两个点的位置？速度的方向我们又应该如何表达？考虑到题目已给出我们一个着陆点19.51W，44.12N，所以我们选择在月球上建立一个坐标系，再做一系列减小误差的措施，故上述问题就解决了。至于速度的计算，显然会与第二问的最优策略有关，我们通过对最优控制策略的计算，逆推就能算得近月点与远月点的速度。 问题二： 问题要我们确定嫦娥三号的着陆轨道和在六个阶段的最优控制策略，嫦娥三号沿着陆准备轨道下降到距离月面一定高度时，嫦娥三号发动机点火工作，开始动力下降段。这个阶段的主要任务在于消除嫦娥三号速度的水平分量。由于着陆器在月面上软着陆只能依靠制动发动机的能量来实现，因此，在这一过程中，如何使能量最省成为所研究的关键问题，一般从以下两个方面考虑：一方面是制动火箭开始工作时机的选择；另一方面是在设计动力下降段的制导控制策略时，要在末端轨道参数满足下一阶段要求的前提下，根据燃料消耗最小的原则进行设计。对于动力下降段起始点的选择，从理论上讲，制动发动机开始工作时的高度越低，...