基于燃料最优解的火星精确着陆制导策略研究.pdf

《基于燃料最优解的火星精确着陆制导策略研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第2卷第1期深空探测学报Vo1．2NO．12015年3月JournalofDeepSpaceExplorationMarch2O15基于燃料最优解的火星精确着陆制导策略研究郭延宁，马广富，曾添一，崔祜涛(1．哈尔滨工业大学控制科学与工程系，哈尔滨150001；2．哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心，哈尔滨150001)摘要：针对火星着陆任务高实时性和低燃耗的需求，提出了一种新的基于开环燃料最优解的精确着陆制导策略。通过分析开环燃料最优解特性，设计了利用发动机推力幅值切换处的状态作为路径点结合最优线性

2、制导律进行分段制导的制导策略，在无需存储全部燃料最优轨迹的前提下，实现具有近燃料最优特性的着陆任务，节省了大量的存储空间。同时详细讨论了包括全局燃料最优解获取、路径点提取、路径点拟合等一系列关键问题，并通过典型火星着陆场景的大量数学仿真验证了所提出策略的可行性和优越性。关键词：精确着陆；动力下降；路径点；最优制导；轨迹跟踪中图分类号：V249．122．5文献标识码：A文章编号：2095—7777(2015)Ol一0061—08DoI：10．15982／j．issn．2095—7777．2015．01

3、．009攻克的最关键技术之一I】]。U5I置动力下降段制导与控制系统的目的是在满足控深空探测及行星着陆采样等关键技术为人类研制约束、障碍回避及燃料约束的前提下，通过设计加究宇宙起源、开发和利用空间资源奠定了基础。特速度或推力指令，利用推力发动机产生推力，实现预别是地球的近邻火星，成为人类向外太空开拓的首定着陆点或其附近区域安全着陆。已有的制导系统选。美国“好奇号”火星车于2011年成功着陆，掀起设计可大致分为显式制导律、轨迹优化以及轨迹跟了新一轮行星探测及着陆任务热潮。印度和美国分踪制导律三种。别于

4、2013年11月5日和18日发射了“火星轨道探显式制导律中最经典的方法为阿波罗任务月球测器”和“火星大气与挥发演化任务”探测器，各自已着陆器采用的二次多项式制导方案，此外还包括经于2014年9月24日和22日成功进入火星轨道，D’Souza等(1997)l3]总结提出的最优制导律、将为研究火星气候与环境的演变带来新的机遇。此Steinfeldt等(2010)E4]改进的基于自调节飞行时间外，美国的火星样本取回计划：预计于2016年将的最优制导律、Najson等(2006)[53提出的燃料高效500g

5、火星土壤带回地球。我国“嫦娥3号”的软着末端制导律、Furfaro等(2011)提出的基于非线性滑陆和月球车投放任务的成功实施，实现了动力下降、模的精确着陆制导律以及基于强化学习方法的燃月面生存与深空测控通信等一系列关键技术的突料高效精确着陆制导策略Ⅲ、Guo等(2013)[提出破，未来的火星探测及着陆任务也进入最后的准备的通用的基于零控位置误差／零控速度误差(ZEM／阶段。ZEV)的最优制导律等，此外针对行星表面障碍物在包括火星在内的所有行星着陆的最后阶段，的探测和规避问题也有一定研究进展L9]。

6、显式制导均需利用反推力发动机进行有效减速并实现目标点律具有实时性好、鲁棒性高等优点，但是在燃耗性安全精确着陆，该阶段即动力下降段。由于不同行能、障碍回避能力等方面表现不佳，不适合未来发展星大气层的成分及厚度等信息存在差异，对应动力需求。下降段的时间跨度各不相同。动力下降段面临精度获取燃料最优解是所有消耗燃料的航天器需要需求高、复杂地形多、环境不确定性强以及时问短等面对的问题，而该问题对于深空探测任务尤为重要。诸多挑战，因此其导航、制导与控制系统的性能将直由于着陆过程一般采用可变推力发动机，着陆任务接

7、决定整个着陆任务的成败，是火星探测任务需要完成前需保持点火状态，因此存在最大和最小推力收稿日期：20141201修回日期：2015-02—12基金项目：国家973计划项目(2012CB720000)；国家自然科学基金资助项目(61403103)；中国博士后科学基金资助项目(2014M550195)62深空探测学报第2卷其中：，，V分别表示探测器相对期望着陆点的位置和速度矢量；a为推力发动机产生的控制加速度矢量，对应推力矢量和推力幅值分别为T和T；g为火星的重力加速度矢量；为着陆器质量；C为推力发动机

8、质量排出速度。2燃料最优轨迹优化问题及求解2．1问题描述对于给定探测器初始时刻和最终时刻t，状态1f，．(O)一ro，l，(0)一V0，m(O)一mor(tf)一)_[00o]其中：r0为探测器初始位置；1，。为探测器初始速度；。为探测器初始质量。考虑发动机存在最大T和最小T的推力约束0