登月软着陆过程多约束最优制导律研究

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1、第２２卷第４期载人航天Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．４２０１６年８月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＡｕｇ．２０１６登月软着陆过程多约束最优制导律研究∗施国兴，宋征宇，巩庆海（北京航天自动控制研究所，北京１００８５４）摘要：为使登月舱软着陆过程安全可靠，须对其飞行轨迹进行多种约束规划与制导。在满足登月舱姿态约束的基础上进行最优制导律推导；考虑到飞行过程中的多种约束，引入航点优化算法，将飞行过程中的轨迹多约束转换为航点约束，并以指令加速度变化平稳为优化指标，将轨迹优化问题转换为二次规划问题，实现多约束下最优制导。仿真结果表明

2、该方法能在加速度变化最小的情况下满足多种飞行轨迹约束要求，落点精度满足要求，实现登月舱安全软着陆。关键词：软着陆；多约束；制导律；航点优化中图分类号：Ｖ４４８?２文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１６）０４⁃０４３４⁃０６ＯｐｔｉｍａｌＧｕｉｄａｎｃｅＬａｗｆｏｒＭｕｌｔｉ⁃ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔＬｕｎａｒＳｏｆｔＬａｎｄｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ∗ＳＨＩＧｕｏｘｉｎｇ，ＳＯＮＧＺｈｅｎｇｙｕ，ＧＯＮＧＱｉｎｇｈａｉ（ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉ

3、ｊｉｎｇ１００８５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｓａｆｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｆｌｉｇｈｔｏｆｔｈｅｌａｎｄｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｉｎｔｈｅｌｕｎａｒｓｏｆｔｌａｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｆｌｉｇｈｔｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｍｕｓｔｂｅｐｒｏｇｒａｍｍｅｄａｎｄｇｕｉｄｅｄｗｉｔｈｍｕｌｔｉ⁃ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｇｕｉｄａｎｃｅｌａｗｗａｓｄｅｒｉｖａｔｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｌａｎｄｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌｃ

4、ｏｎｓｔｒａｉｎｔ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｖａｒｉｅｔｙｏｆｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｌｉｇｈｔ，ｔｈｅｍｕｌｔｉｐｌｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｗｅｒｅｃｏｎ⁃ｖｅｒｔｅｄｔｏｗａｙｐｏｉｎｔｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄｔｈｅｗａｙｐｏｉｎｔｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｍｉｎｉｍａｌｃｈａｎｇｅｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒａｎｄ

5、ｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｐｔｉ⁃ｍｉｚａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｑｕａｄｒａｔｉｃｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｕｓｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｇｕｉｄａｎｃｅｕｎｄｅｒｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃｏｕｌｄｍｅｅｔｖａｒｉｏｕｓｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｗｉｔｈｍｉｎｉｍａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｈａｎｇｅａｎｄｔｈｅｌａｎｄｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｃｏｕｌｄｍｅｅｔ

6、ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｓｏａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｓａｆｅｓｏｆｔｌａｎｄｉｎｇｏｆｔｈｅｌｕｎａｒｌａｎｄｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔｌａｎｄｉｎｇ；ｍｕｌｔｉ⁃ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ；ｇｕｉｄａｎｃｅｌａｗ；ｗａｙｐｏｉｎｔｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ作用下以很小的速度近乎垂直地降落到星球表１引言面，以保证试验设备与航天员完好。由于月球和人类在上世纪６０年代已实现了无人和载人其他行星表面分布有大小不一的环形山、峭壁、裂［１］［３］月面软着陆。进入２１世纪，世界各国又重新掀谷等，另外还有数量众多的

7、小行星撞击形成的起了月球、火星探测等高潮，实施的计划包括环月坑洞，导致着落段是比较危险的飞行段。要使登探测、无人软着陆、载人登月，建立永久性月球基月舱安全着陆则必须避过某些危险区域，同时需［２］地、火星探测等，都要求着陆器在制动系统的要满足某些着陆条件，因此需要对着陆过程进行收稿日期：２０１５⁃０５⁃２０；修回日期：２０１６⁃０５⁃２３基金项目：载人航天预先研究项目（０２０３０１）作者简介：施国兴（１９８０－），男，博士，工程师，研究方向为运载火箭制导系统设计。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｎｏｎｂｏｗ００１＠１６３．ｃｏｍ∗通

8、讯作者：宋征宇（１９７０－），男，硕士，研究员，研究方向为运载火箭控制系统。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｙｃａｌｔ１２＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ第４期施国兴，等．登月软着陆过程多约束最优制导律研究４３５约束，以满足安全着陆的要求。是因为一般情况下有式（２）所示牛顿第二定律。早期出现的载人软着陆制导算法对约束往往ＦＩＩＦＢａ＝＝Ｃ（２）［４⁃８］［９］ｍＢｍ考虑不多，如Ａｐｏｌｌｏ登月制导算法