火星进入点误差对开伞点分布影响分析

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1、2014年6月中国空间科学技术73第3期ChineseSpaceScienceandTechnologyv-火星进入点误差对开伞点分布影响分析陈阳孙海滨郭雷(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)摘要随着火星探测任务需求的提升，着陆器在火星表面着陆精度的要求越来越高。着陆器开伞点分布是影响着陆精度的重要因素。文章围绕火星大气进入过程，简要介绍了着陆器运动学方程，并给出相应的数学模型。针对进入点(接触大气层)存在的初始状态误差，借助MonteCarlo法进行了着陆器开伞点分布情况分析

2、。通过1000次重复仿真试验得出结论，着陆器开伞点的纵向误差在20～40km，横向误差在5～10km。最后，针对提高开伞点精度，提出两点建议并简要介绍了相关制导算法。关键词火星；大气进入段；开伞点分布；精度分析；深空探测DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2014．03．011引言目前为止，美国已有7架探测器在火星表面成功着陆，根据数据资料显示，“好奇号”之前的探测器都采用弹道式(无主动控制)的进入方式，1997年的“探路者号”将着陆误差椭圆减小到299km×45kmErz

3、，“

4、勇气号”和“机遇号”在2004年着陆时的着陆误差椭圆能够控制在70km×5km[3I。对弹道式的进入方式而言，着陆点的精度取决于着陆器的导航系统和进入点(接触火星大气层)的初始误差。“漫游者计划”(“勇气号”和“机遇号”)所携带的导航系统比1997年发射的“探路者号”更加先进，使得进人点的误差减小，从而有效提高着陆精度[4]。另外，利用先进的制导算法也能有效地提高着陆精度。2011年发射的“好奇号”首次在大气进入段采用了制导方法，并将着陆精度提高到了10km，火星海平面高度(MOLA，由“火星全球勘测

5、者”(MGS)携带的激光高度计定义)达到了+1km。在火星大气进入制导的理论研究方面，NASA约翰逊航天中心的GilbertL．Carman在文献Es]中提出一种源于阿波罗制导的火星精确着陆制导方法。加州大学欧文分校的“飞行动力与控制实验室”开发了一套改进的加速度再人制导算法(EvolvedAccelerationGuidanceLogicforEntry，EAGLE)，并将其用于火星着陆的研究。本文主要考虑了火星进入点存在误差时，对开伞点分布的影响。首先考虑当所有状态都存在误差时，通过仿真分析了对开

6、伞点分布的影响。进一步为研究哪一状态是影响开伞点的关键因素，又考虑了6个初始状态分别存在误差时对开伞点分布的影响。最后基于仿真结果，通过分析，为后期制导律的设计提供一些建议与指导。国家重点基础研究发展计划(973)(2012CB720003)，国家自然科学基金(10772011)资助项目收稿日期：2013—05—24。收修改稿日期：201312—2774中国空间科学技术2014年6月2大气进入段数学模型在问题研究的初期，由于着陆器的构型还未完全确定，有些系统参数并未完全确定，要进行精确的进入轨迹计算不

7、可能也没有必要叩]。为了粗略地了解着陆器飞行轨迹和飞行性能，仅需要研究质心运动，建立完整的着陆器运动学方程和与之相关的大气模型、重力梯度模型等即可。2．1简化的运动学方程在进入过程中，将着陆器看作质点处理，只考虑质心的运动，忽略风的影响、着陆器内部振动等干扰因素的影响，建立着陆器进人火星大气层后的简化运动学方程‘7】：自一一VcosTco．s尘，；一yc。sysin驴，_jI—vsinyrCOS击。r函一一志(Lsi叩+孚COS2)'cos灿n≠)鹄杪一。⋯m，夕一古[洳叩一g一孚]cosy]托式中曰

8、为经度；西为纬度；h为着陆器距火星地表的距离；V为相对于火星的速度；y为航迹倾斜角；驴为航迹方位角；卢为倾侧角；，一为参考火星半径；Cp和C，是由火星自转引起的分量，可表示为Cy一2(Ucos驴cos庐，C≯一2叫(tanTsin驴cos声一sine)式中叫为火星自转角速率。在理想条件下，若给出进入点的初始条件，则根据上述运动学方程可规划出着陆器的进入轨迹。2．2气动参数表达式在运动学方程中的阻力加速度D和升力加速度L可以表示为[811D一寺∥2(S／m)CD，L=寺∥2(S／m)c-。厶‘一式中P为

9、火星大气密度；CD和C。，分别为阻力系数和升力系数；S为着陆器截面积；m为着陆器质量。升力系数C。和阻力系数C。是关于攻角口的函数，表达式为ⅢCD—CNsina+CACOSa，CI，一CNcosa+CAsina假设着陆器以配平攻角的状态飞行，则口为常值。另外，相关文献[9]显示，着陆器在火星表面高超声速条件下，系数C。≈0，CA一1．6。2．3大气密度和重力梯度模型火星大气密度函数lD(矗)通常可以写成指数函数的形式‘9’：lD(^)一exp(fl(h)