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1、第23卷第5期四川理工学院学报(自然科学版)Vol23No52010年10月JournalofSichuanUniversityofScience&Engineering(NaturalScienceEdition)Oct2010文章编号:16731549(2010)05060805深空软着陆制导控制的建模与仿真江秀强,谭飞(四川理工学院自动化与电子信息学院,四川自贡643000)摘要:讨论了深空软着陆的一般方式和过程,描述了软着陆制导控制的总体方案。以燃耗最省为性能指标,分析
2、推导了一种用于软着陆动力下降段的多项式制导控制律。以安全可靠为基本要求,分析推导了用于最终着陆段的重力转弯着陆方法。最后通过仿真证明了此模型是合理可行的,且方法简单。关键词:深空软着陆;多项式制导;重力转弯中图分类号:O231;V448文献标识码:A机下降到星球表面的方式实现软着陆。制导控制的引言一般过程主要包括动力下降段和最终着陆段,如图1随着航天技术的飞速发展,人类对太空的探索也逐所示。渐从科学考察转为开发利用空间资源。而开展深空软(1)动力下降段。探测器沿过渡轨道下降到距离星着陆探测将为我们
3、进一步认识太空,掌握可利用的空间球表面一定高度(到达事先设计好的动力下降开始点)资源及其分布情况提供准确详细的信息。时,制动发动机点火工作,开始动力下降,不断的降低速制导与控制是深空探测器实现软着陆的关键技术度和高度,导引探测器到达着陆区域上空。动力下降段之一,是未来我国实现载人登月和对月球及太阳系其它是一个全推力制动过程。这个阶段的主要任务在于消天体进行零距离考察研究的重要技术保障和前提条件。除探测器速度的水平分量。由于深空探测器距离地球相当遥远,无线电信号延迟可长达几分钟到几个小时,因此几乎所
4、有的控制操作都需要在星上实现自主化;这对提高深空探测器的自主控制[1]能力提出了相当高的要求。鉴于深空探测器自身的计算机资源和燃料都相当有限,我们就需要找到一种有效的制导控制方案,充分利用星上的计算机资源实现实时性尽可能高、可靠性尽可能好和尽可能最优的控制效果,并尽可能用最少的燃料实现在目标星球安全软着陆。本文针对深空软着陆过程的一般性,结合深空探测图1软着陆过程示意图器自主控制能力要求高的特点,运用软着陆制导控制的研究成果和最优控制的思想,分析建立了深空软着陆各(2)最终着陆段。当探测器下降到距
5、离星球表面个阶段的制导控制模型,进行了仿真验证。几公里的高度时(这个高度需要根据星球的具体情况和着陆轨道的设计情况而定),发动机工作状态由全推力1深空软着陆制导控制的概述转为开关调节或者降低功率工作(例如:主推力发动机关机、小推力发动机组继续工作)。这一阶段的轨道可11深空软着陆的一般方式和过程以设计成倾斜下降或者垂直下降。但是倾斜下降时,一深空软着陆一般采用从目标星球的停泊轨道择收稿日期:20100401基金项目:四川省人工智能重点实验室基金(2008RK002)作者简介:江秀强(1987
6、),男,四川绵竹人,主要从事航天器动力学与控制方面的研究。第23卷第5期江秀强等:深空软着陆制导控制的建模与仿真609般在最后数十米的高度也需要转为垂直下降。探测器离星球表面很近,可以认为在动力下降过程中目12制导控制的总体方案标星球的重力加速度是一个定值2,这里R为目标星本文所讨论的软着陆方式选用先在星球停泊轨道R环绕运行再减速着陆的方式。采用这一方式进行软着球的平均半径。陆时,探测器的制导控制过程也就基本上是一种半开环根据文献[5]的论述,可以分别用一个关于局部时半闭环
7、的方式:在动力下降段采用开环方式进行减速控间∃的三次多项式和二次多项式来近似表示星球中心制,然后在接近星球表面的最终着陆段打开着陆敏感到着陆器质心之间的距离r和径向速度u:23器,进行闭环控制。r=k0+k1∃+k2∃+k3∃(2)2动力下降段采用多项式制导,其燃耗与最优过程相u=k1+2k2∃+3k3∃差无几,是一种燃耗次优的制导控制律,且计算量小、实这里的∃为局部时间,它以当前时刻t为初始时刻,t的[2]时性强、自主性高和鲁棒性好。对于最终着陆段,采取值范围是[0,tgo];tgo为剩余时间,
8、是着陆器从当前时用重力转弯制导控制,是因为该方法控制简单、计算量刻开始到达目标点所用的时间。(2)式中各系数可由初小,能在深空探测器上自主实现,且能保证软着陆的安始条件和末端条件确定:r(0)=r,r(tgo)=rf,u(0)=全性和可靠性。u,u(tgo)=uf。其中,rf表示径向距离终端约束,uf表示径向速度终端约束。由此可以求出(2)式中的各系数:2制导控制的建模k0=r21动力下降段制导控制模型k1=u由于探测器自身所携带的燃料非常有限,加之在动3(rf-r-utgo)-
