基于高斯伪谱法的深空探测器轨迹优化设计学士学位论文

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1、学号密级哈尔滨工程大学学士学位论文基于高斯伪谱法的深空探测器再入轨迹优化设计院（系）名称：自动化专业名称：探测制导与控制技术学生姓名：指导教师：哈尔滨工程大学2015年6月基于高斯伪谱法的深空探测器再入轨迹优化设计哈尔滨工程大学学号密级基于高斯伪谱法的深空探测器再入轨迹优化设计OptimalReentryTrajectoryofDeep-SpaceProbeBasedonGaussPseudospectralMethod学生姓名：所在学院：自动化所在专业：探测制导与控制技术指导教师：职称：教授所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：2015年6月论文答辩日期：2015年6月学位授予

2、单位：哈尔滨工程大学基于高斯伪谱法的深空探测器再入轨迹优化设计摘要深空探测器再入段指的是探测器从进入地球大气层一直到安全到达着陆点的一段。该过程的再入环境恶劣，具有再入速度较高、加速度过载系数和热流密度大等特点。所以这一过程对于深空探测器来说极其重要。本文对深空探测器的再入数模模型建立、再入方案的分析、再入运动特性的分析与仿真、再入轨迹优化一系列方面进行了研究，主要取得了以下研究成果。利用理论力学的原理建立了探测器深空返回再入数学模型，随后又建立了动压等参数模型。并基于无量纲化再入数学模型，采用龙格-库塔法开发了本课题所用MATLAB仿真程序。对探测器深空飞行返回再入方案，即返回

3、再入模式和地球捕获方式，进行了分析，得出了本课题所采用的方案。对探测器深空飞行返回再入运动特性进行了研究。先从能量与再入运动特性两方面就深空返回和近地轨道返回再入进行了分析，得到了各自的特点。然后讨论总结了再入初始参数、控制变量以及探测器升阻比对再入过程产生的影响，并得到了其与再入过程的关系。进行了探测器再入运动轨迹的优化设计。该过程中首先对探测器深空返回再入过程的特点和如何利用Gauss伪谱法求解探测器最优轨迹进行了分析和研究。然后对于一般最优轨迹求解方法初值选取困难、计算效率低的缺点，本课题设计了一种采用Gauss伪谱法的新的优化方法，即将整个优化过程分为两个部分，先求近似解

4、，然后利用近似解的值求最优解。并得到了较为理想的结果。关键词：深空飞行返回再入；再入运动特性；轨迹优化；高斯伪谱法59基于高斯伪谱法的深空探测器再入轨迹优化设计ABSTRACTDeepspacereentryisaveryimportantstepwhichdirectlydecideswhetherthespacecraftcanreturntouch-downzonesafely.Thisthesisstudiedthereentrydynamiccharacteristicsandreentrytrajectoryoptimizationapproachesbasedont

5、helunarsamplereturnmissioninthethirdphaseofChina’sLunarexplorationprogram.Themainresultsachievedinthisdissertationaresummarizedasfollows:Firstofall,buildamodelofspacecraft’sdeepspacereentrymakeuseofthetheoryoftheoreticalmechanics.AndthenexploitaprocedureforsimulationbasedonMATLAB.Inordertostu

6、dytheschemeofthedeepspacereentry,aresearchismadetoanalyzedeepspacereentrypatternandcatchedwaybyearth.Next,aprojectthatcanbeusedforengineeringismadethroughtheanalysisofthesimulationresults.Aresearchismadetoanalyzedeepspaceflightreentryandnear-earthorbitreentry,theimpactsoftheinitialreentrypara

7、meteronthereentrytrajectory,theimpactsoflift-dragratioandthecontrolonesonthereentrytrajectotysoastostudythereentrydynamiccharacteristics.AreentrytrajectoryoptimizationapproachusingGaussPseudospectralMethodisstudied.Thedissertationstudiedtheth