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《月球软着陆飞行动力学和制导控制建模与仿真》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、中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第3期:521~527《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS月球软着陆飞行动力学和制导控制建模与仿真①*②②王鹏基,张熇,曲广吉①北京控制工程研究所,空间智能控制技术国家级重点实验室,北京100190;②中国空间技术研究院总体部,北京100086*E-mail:mailto:pjwang76@sohu.%20com收稿日期:2008-08-01;接受日期:2008-11-01摘要着重对月球软着陆制动段、接近段和着陆段的飞行动力学模型进行了研究,同时基关键词于动力学模型
2、对各阶段制导律进行了优化设计.制动段飞行时间和距离较长,拟采用均匀球月球软着陆体模型,该模型也是软着陆全过程下降轨迹分析和动力学仿真的基础;制导律设计中考虑到飞行动力学建模该段燃料消耗很大,主要以燃料最优为设计指标.接近段距离月面较近,且经姿态调整后接制导律设计着陆精度仿真近垂直下降,拟采用平面月球模型;制导律设计采用基于重力转弯技术的最优开关制导律.着陆段几乎垂直下降,动力学模型可在平面月球模型的基础上简化为一维垂直下降模型,制导律设计拟在垂直方向采用简单的程序制导方式.最后,在考虑测量、推力误差以及环境干扰等影响下对着陆精度进行了初步仿真分析,结果表明,给出的软着陆三阶段动力学模型和制
3、导律是可行的.纵观人类探月历史,对于月球的探测大致可分陆如美国的Apollo计划.总起来说,月球软着陆有2为以下几个阶段:一是环月阶段,发射环月轨道器对种形式:一是自地月转移轨道直接实现软着陆,二是月面进行较近距离的成像等科学探测;二是着陆阶自月球停泊轨道变轨至近月点然后实现软着陆.早段,发射无人月球着陆器和月球车,着陆月面并对月期的软着陆大都采用第1种直接软着陆的方式;从面进行巡视勘察;三是返回阶段,着陆月面后采集月Apollo计划开始,后期的月球软着陆计划大都采用自球样本并返回地球;四是载人登月,由宇航员登陆月月球停泊轨道下降的间接软着陆方式.[1][2]球采样并返回地球.进入21世纪
4、,包括美国、俄罗斯、参考美国Apollo、日本SELENE以及欧空局[3]欧空局、日本、中国以及印度等又重新掀起了月球探EuroMoon2000的软着陆下降方案,自环月停泊轨测的高潮,制定和正在实施的计划从环月、无人软着道开始的软着陆可大致分为2部分:一部分是轨道转陆直至载人登月,乃至建立永久性月球基地.移,另一部分是软着陆下降.轨道转移主要包括离轨所谓月球软着陆,是指月球着陆器经地月转移段和霍曼转移段,软着陆下降包括3个阶段:制动到达月球附近后,在制动系统的作用下以很小的速段、接近段和着陆段,如图1所示.各个阶段的详细叙度近乎垂直地降落到月面上,以保证宇航员的安全述参见文献[4].和试验
5、设备的完好.自20世纪60年代开始,人类先本文主要对自环月停泊轨道开始的无人自主软后实现了无人和载人月面软着陆,无人软着陆如苏着陆各阶段的动力学建模和制导律设计进行研究,联的Luna计划和美国的Surveyor计划等,载人软着并最终对软着陆全过程的飞行轨迹和着陆精度进行仿521王鹏基等:月球软着陆飞行动力学和制导控制建模与仿真图1月球下降轨道分段示意图真分析.软着陆3个阶段中,制动段持续时间和经过此,月球表面的质量集中问题就显得更为突出,考察的月面距离最长,着陆过程绝大部分燃耗都发生在摄动影响时应重点考虑着陆区域附近的质量集中问题.该下降段.因此,该段的动力学建模和制导律设计最为方便软着陆
6、过程各阶段的制导律设计以及下降轨为重要.本文在制动段动力学建模中除了给出用于迹各参数的分析,需要根据每个阶段的不同情况将制导律设计的动力学模型外,也给出了用于软着陆模型建立在合适的参考坐标系下.全过程飞行轨迹和下降窗口分析设计的月心惯性系2制动段飞行动力学建模与制导律设计下的动力学模型.该部分动力学模型也是全过程飞该段中,着陆器距离月面相对较高,且着陆器走行轨迹参数计算和着陆精度仿真分析的基础.过的月面距离比较长,将月球视为平面建立模型会1一般情况下软着陆飞行动力学建模带来较大的偏差.因此,制动段有必要将月球视为球文献[5]给出了低轨月球探测器10种摄动源的摄体来建立均匀球体下的三维软着陆
7、模型.制动段推动量级和不同需求下的摄动模型选择,其中对于一进系统采用常值推力方式,通过姿态控制来完成制般的轨道分析,只需考虑月球的非球形引力摄动以动力方向的改变.及地球和太阳的引力摄动即可.于是,一般情况下月2.1均匀球体三维动力学模型球软着陆动力学模型的矢量式可写为μ11首先定义几个坐标系:1)参考惯性坐标系""rF=−⋅+−⋅⋅+⋅mrFμ(rΔ)33εee3eYZ.原点rreeΔOXrrrO位于月球中心,Zr轴由月
