嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略数学建模赛题_学位论文.doc

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1、2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛承诺书我们仔细阅读了《全国大学生数学建模竞赛章程》和《全国大学生数学建模竞赛参赛规则》（以下简称为“竞赛章程和参赛规则”，可从全国大学生数学建模竞赛网站下载）。我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛章程和参赛规则的，如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛章程和参赛规则，以保证竞

2、赛的公正、公平性。如有违反竞赛章程和参赛规则的行为，我们将受到严肃处理。我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等）。我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）：A我们的报名参赛队号为（8位数字组成的编号）：07006016所属学校（请填写完整的全名）：参赛队员(打印并签名)：1.2.3.指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：（论文纸质版与电子版中的以上信息必须一致，只是电子版中无需签名。以上内容请仔细核对，提交后将不再允许做任何修改。如填写错误，

3、论文可能被取消评奖资格。）日期：2014年9月15日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：评阅人评分备注全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略摘要本文通过对着陆以及绕行过程中，各个因素对着陆速度以及着陆地点的影响的描述，通过对软着陆过程的探索，建立合理的模型来确定最优控制策略以及着陆轨道。针对问题一、二，就着陆器轨道的近月点以及远月点的位置和嫦娥

4、三号在该点的速度大小和方向进行分析，通过天体运动规律等，计算出近月点坐标分别为：（19.51°W，50.00°N），远月点坐标为：（19.51°E，50.00°S）。近月点速度为1.67km/s，方向与径向成。远月点速度为1.63km/s，方向与径向成。针对问题三，求解最优策略，通过建立不同的坐标参考系，建立一系列月球着陆动力学方程，解出径向最优轨迹和燃耗次优控制方向角。构成多项式制导公式。针对问题四，确定嫦娥三号着陆轨道，应用多项式方程，仿真出着陆速度与时间的图像，径向距离与时间的图像，并对图像做出解释。最后，对着陆过程中的各个因素产生的影响，对此阶段进行

5、误差分析以及敏感性分析。解决在软着陆过程中，获取最优控制策略的解决方案。关键词：软着陆;多项式制导公式;天体运动学公式;误差分析;敏感度分析19一.问题重述2013年12月2日1时30分，“嫦娥三号”探测器由长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心发射。由于没有月球软着陆的经历，确定嫦娥三号的着陆轨道、嫦娥三号的着陆控制、减少软着路过程的燃料消耗将是面临的实际问题。附件1:给出了问题的背景与参考资料;附件2:给出了嫦娥三号软着陆过程;附件3:给出了距2400m处的数字高程图;附件4:给出了距月面100m处的数字高程图;试就我国的航天技术和外国软着陆的经验的相关情

6、况，建立数学模型分析研究下面的问题：(1)确定着陆准备轨道近月点和远月点的位置(2)嫦娥三号近月点和远月点速度的大小与方向。(3)确定嫦娥三号在6个阶段的最优控制策略。(4)确定嫦娥三号的着陆轨道。(5)对于我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。19二.问题分析这是一个关于深空探测航天器软着陆的最优控制问题。问题一：确定着陆准备轨道近月点和远月点的位置。根据天体运动学公式，我们能够算出，在距离月球表面15千米时的切向速率，然后，进入主减速区时，径向方向做57m/s的匀速直线运动，垂直于径向方向做匀减速直线运动，末速度为0。利用三角形法则计

7、算出垂直于径向方向速度，继而算出主减速区所用时间与垂直径向方向所走路程。推算出近月点和远月点的经纬度。问题二：确定嫦娥三号在近月点和远月点的大小和方向。根据天体运动规律，分别计算出飞行器在距月球15km与100km时的速率，根据圆的性质，可计算出远月点的速率方向。在近月点，可根据问题一中的假设解答出在该点处的速率方向。问题三：建立六个阶段的最优控制策略。首先建立两个坐标系，对实际问题坐标化，然后，根据查表写出月球软着陆动力学方程。求解时，先计算径向最优轨迹模型，在计算燃油次优控制方向角，最终求出多项式制导公式。问题四：确定嫦娥三号着陆轨道。根据第三问求出的方

8、程式，仿真出径向距离与时间的函数关系式，着陆器速度与