嫦娥三号动力落月段轨迹确定策略部分内容编剧

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1、嫦娥三号动力落月段轨迹确定策略•部分内容编剧嫦娥三号动力落月段轨迹确定策略摘要：针对CE3（嫦娥三号）月球探测器动力下降弧段，特别是悬停避障段频繁机动的特点，提出了采用B样条函数逼近方法进行落月轨迹确立。仿真分析表明：在动力下降运动较平滑弧段，B样条逼近法计算结果略优于多项式拟合法；而在频繁机动弧段，B样条逼近法有明显优势。计算结果表明,加入VLBI（VeryLongBaselineInterferometry,M长基线干涉测量）数据后能有效提高落月轨迹确定耕度，在没有系统误差的情况卜联合定位后位置精度优于50ma此外，还分

2、析了三向测量系统差对定位的影响，口J对CE3任务提供参考。最后对CE3实测数据进行处理，动力落月段末点位置和着陆器定位计算值相差不到200mo关键词：落月轨迹；B样条函数；三向测量；软着陆；嫦娥三号（CE3）0引言我国于2013年底发射CE3（嫦娥三号）月球探测器，这是我国不载人探月工程“绕、落、冋”计划屮的第二步。CE3与CE1、CE2最人的不同是将实现探测器的月球表面软着陆以及刀球午的月而巡视。为实现在刀球的软着陆，必须使着陆器与刀面的相对速度降到几m/s的量级，然后再通过着陆缓冲装置吸收着陆冲击，确保着陆器上装载的有效

3、载荷完好，顺利完成后续的探测任务。着陆的方式分为2类：从地月转移轨道直接着陆和从环月轨道着陆。由于从地月转移轨道直接着陆的方式着陆蒂度较差，故从苏联“月球16号”探测器开始，其无人着陆器以及美国的“阿波罗”载人登月系列探测器均采用了从环月轨道着陆。在这种方式中，探测器一般都先进入轨道高度约100〜200km的环月轨道，然后经变轨降低轨道近月点至15〜20km,从这个近月点开始动力下降。在动力下降过程中，依靠图像导航和基T*IMU（InertialMeasurementUnit,惯性测量单元）的导航等探测器口主导航方式以控制探

4、测器的着陆过程。为减少着陆前发动机喷流引起月壤喷溅，一•般探测器发动机会在距月而2〜4111高处关闭，探测器自由下落到月而阻］。这种着陆方式，冇比较充裕的时问在环月轨道进行在轨测试，冇利于保证着陆精度，我国CE3探测器也将采川这种方式进行着陆。从图1可见，CE3的软着陆过程主要分成5个阶段。前3个阶段主要是反推火箭制动减速，消除探测器较大的水平初速度，调整探测器姿态为垂巴向下，并使其在到达预定高度时速度接近于0;悬停避障段主要是根据图像敏感器对着陆区的成像选择安全着陆点；最后一个阶段探测器继续缓慢下降，保证其在离刀而还有约4

5、111时速度为零，进而关闭发动机，以自由落体方式撞击月表着陆。环月＜动力下降快速调整段r接近段悬停避障段缓速F降段15km3km2.7km1()0in30ni0m图1CE—3月球软着陆示意图国内已有学者采用运动学统计定位的方法计算CE1撞刀时的轨迹，获得与动力学定轨方法相当的结果。但是由于CE3需耍软着陆，下降过程屮有大量的轨道机动，运动复杂。本文提出采用B样条函数逼近的运动学统计定位的方法对落月段的轨迹进行仿真计算，对该弧段轨迹确定的策略进行了分析和探讨。1计算原理和测量方法最早将样条逼近方法应用于航天测控系统，是在利

6、用外测数据事后处理时，用该方法逼近导弹弹道。宋叶志等口1运用这种方法对各类地球卫星轨道进行轨道计算，计算结果表明该方法精度可靠，解算稳定。和多项式拟合方法一样，该方法进行轨道确定不受坐标系选择的限制。多项式拟介方法的局限性在于无法拟介变化复杂的轨道，只能拟介运动轨迹较为平滑的轨道，而样条函数逼近的方法却不受轨道本身形状所限，更加灵活。三阶B样条貝有良好的二阶光滑度，拟合灵活性强，特别适宜拟合曲率变化人，拐曲严重的任意形状函数，并月.具有很好的稳定性和收敛性。因此本文选择三阶标准B样条，函数形式如卜,t21322tt,t1

7、231324ttt,1t23将样木数据处理区问记为T2,TP1,P为节点数，则:P12PTjT2(j2)h,j=l,2,Pp..ttTjTjxtajB,xtajBhhjlj1.p.ttTjTjytajB,ytajBhhjlj1pp.t..tTTjjztajB,ztajB■Jlj1hh其中：，t2P-32B3k2t,t1212k2t2k,1t22这样，该弧段上任意时刻探测器的位置速度便可用样条函数表示。B样条逼近方法进行轨道确定的具体算法在宋叶志等的工作中已给出，其木质就是从统计定位的思想出发，将需要定位的弧段分成很多个小的区

8、问，在区问上用B样条函数,o其町调参数P越大，就逼近，再利用最小二乘求解每个节点的参数j,・会将样本数据区问分得越小，这样需要解算的参数，，jjjjj就会越多。基于多项式拟合的运动学统计定位法，则是将任意时刻探测器的位置通过以下式描述：测距数据残差RMS为2.136m,测速数据残差RMS为