嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略报告

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1、嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略摘要嫦娥三号首次实现我国航天器在另一个地外天体上软着陆，是实现中国航天发展史上新的里程碑式的跨越。嫦娥三号在着陆准备轨道上任一点受月球的引力始终指向月心，引力对月心的力矩为零，卫星对月心的角动量守恒。将机械能守恒定理与开普勒第二定律相结合，可以求得嫦娥三号在近月点与远月点处的速度分别为：1692.204m/s和1613.905m/s，速度方向为轨道切线方向。对于着陆轨道的优化设计，首先本文对探测器的着陆过程进行动力学分析，得到探测器运动微分方程组。在主减速段以最小燃料消

2、耗为目标函数，构建适应度函数。其次，将轨道离散成多个小段，控制变量参数化，待定优化参数，在小段节点处通过多项式拟合，利用遗传算法求解，寻求一组优化参数状态运动，得到了整个轨道的控制曲线。对于嫦娥三号软着陆自主避障的最优控制过程，本文首先对其软着陆过程进行动力学分析，在降落过程中各状态变量和控制变量都随着轨道变化而改变，对探测器自主避障降落过程的加速度变化，进行多项式函数逼近，建立微分方程模型来描述该变化过程，用以寻求优化的探测器软着陆状态参数和控制参数。本文使用MATLAB对数字高程图进行数据分析，建

3、立方差阈值评判模型，分割安全域与危险域，评判着陆点的平坦性。建立基于曲面逼近和蒙特卡罗算法模型，对着陆点的开阔性进行描述，进而选出一块平坦开阔的大片面积联通区域，保证探测器的安全着陆和后期工作的顺利进行。关键词：软着陆自主避障遗传算法方差曲面逼近蒙特卡罗算法18一.问题重述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，其比冲为2940m/s，可以满足调整速度的控制要求。在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

4、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100km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。根据上述的基本要求，建立数学模型解决下面的问题：（1）确定着陆准备轨道近

5、月点和远月点的位置，以及其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.背景说明嫦娥三号(CE-3)是由中国自主研发的登月探测器，于北京时间12月14号在月球表面虹湾以东地区软着陆[1]。虹湾的月面虹湾是月球雨海西北部延伸出来的一个玄武岩平原，地势平坦，适合探测器着陆。CE-3任务是我国“嫦娥探月工程”绕、落、回“三步走”[2]计划的第二步，首次实现我国航天器在另一个地外天体上软着陆，是实现中国航天

6、发展史上新的里程碑式的跨越。软着陆对月速度比较小，探测器着陆后可继续在月面进行考察，因此相比于硬着陆，软着陆更具有实用意义。软着陆[3]大致可以分为两种方式：一种是直接着陆方式，另一种是经过环月轨道的着陆方式。经过科学计算,CE-3采用的是经过环月轨道的方法,这种着陆方式，有比较充裕的时问在环月轨道进行在轨测试，有利于保证着陆精度。嫦娥三号着陆过程可分为六个阶段[4]，如图1所示：图1.CE-3着陆过程六个阶段示意图18各阶段的任务及状态要求如下：Ø着陆准备轨道：着陆准备轨道的近月点是15KM，远月点

7、是100KM。近月点在月心坐标系的位置和软着陆轨道形态共同决定了着陆点的位置。Ø主减速段：主减速段采用惯性、激光、微波测距测速制导，主发动机提供减速动力，姿态发动机根据导航信息调整主发动机方向。主减速段的区间是距离月面15km到3km。该阶段的主要是减速，实现到距离月面3公里处嫦娥三号的速度降到57m/s。Ø快速调整段：快速调整段的主要是调整探测器姿态，需要从距离月面3km到2.4km处将水平速度减为0m/s，即使主减速发动机的推力竖直向下，之后进入粗避障阶段。Ø粗避障段：粗避障段是根据分析星下光学敏

8、感成像图片，启动姿态调整发动机，来初步避开大陨石坑。粗避障段的范围是距离月面2.4km到100m区间，其主要是要求避开大的陨石坑，实现在设计着陆点上方100m处悬停，并初步确定落月地点。嫦娥三号在距离月面2.4km处对正下方月面2300×2300m的范围进行拍照，可获得数字高程，并嫦娥三号在月面的垂直投影位于预定着陆区域的中心位置。Ø精避障段：精细避障段的区间是距离月面100m到30m。要求嫦娥三号悬停在距离月面100m处，对着陆点附近区域100m范围内