深空探測器軟著陸制導與控制方法研究.pdf

1、深空探測任務(wù)中獲取科學數(shù)據(jù)的重要途徑是在目標天體上著陸,然后利用著陸器所攜帶科學儀器采樣分析或采樣返回地球。近年來隨著科學研究的進展,為了能夠?qū)哂懈呖茖W價值的特定區(qū)域進行采樣探測,需要探測器具有精確定點軟著陸的能力。本文針對深空探測器在精確定點軟著陸任務(wù)背景下的制導和控制方法進行了研究,主要工作如下:
　　在分析月球及火星探測器軟著陸過程的基礎(chǔ)上,確定了精確定點軟著陸背景下導航及障礙檢測敏感器對著陸任務(wù)的要求,提出了軟著陸軌跡優(yōu)

2、化問題的約束條件。分析了傳統(tǒng)的非定點軟著陸動力學模型在精確定點軟著陸背景下存在的問題,針對精確定點軟著陸問題,在目標天體固聯(lián)坐標系及慣性坐標系下,分別建立了深空探測器軟著陸的三維動力學模型,并在慣性坐標系下引入軌道交會思想,簡化了固聯(lián)坐標系下時變非線性動力學模型。
　　在最優(yōu)控制理論基礎(chǔ)上,建立了深空探測器定點軟著陸軌跡優(yōu)化問題的模型,根據(jù)龐德亞金極小值原理,給出了定點軟著陸最優(yōu)推力方向及推力開關(guān)方程,并給出了最優(yōu)著陸過程不存在推

3、力中間值的奇異區(qū)間的證明。引入非線性規(guī)劃中凸優(yōu)化理論,通過一系列凸變換將著陸軌跡優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成凸優(yōu)化問題,給出了著陸軌道優(yōu)化問題全局最優(yōu)解存在的證明。建立了著陸軌跡優(yōu)化問題的離散化模型,將連續(xù)系統(tǒng)最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為有限維參數(shù)優(yōu)化問題,采用非線性規(guī)劃中的內(nèi)點法得到了該參數(shù)優(yōu)化問題的數(shù)值解,并針對月球制動段、接近段和火星動力下降段場景進行了仿真分析。
　　針對深空探測器軟著陸最優(yōu)標稱軌跡跟蹤問題,通過引入線性系統(tǒng)模型跟蹤控制理論,給出

4、了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的模型參考跟蹤控制器的一般形式,采用一種基于特征結(jié)構(gòu)配置的反饋控制律設(shè)計方法,將反饋增益矩陣表示成由系統(tǒng)閉環(huán)極點和自由參數(shù)向量組成的參數(shù)矩陣,并引入閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)性能、Lyapunov穩(wěn)定原則作為反饋增益矩陣參數(shù)設(shè)計指標,將反饋增益矩陣的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問題,并結(jié)合實際系統(tǒng)模型,求解了反饋增益矩陣以及相應(yīng)的軌跡跟蹤控制器參數(shù),通過仿真驗證了該軌跡跟蹤控制律的有效性。
　　建立了著陸過程姿態(tài)軌道全自由度動力學模型

5、,根據(jù)Lyapunov意義下系統(tǒng)漸進穩(wěn)定的充分條件,針對誤差四元數(shù)運動學和姿態(tài)動力學方程,設(shè)計了著陸器姿態(tài)跟蹤控制律,并證明了其Lyapunov穩(wěn)定性。最后綜合著陸軌道優(yōu)化、標稱軌道跟蹤控制器、姿態(tài)跟蹤控制器以及精確定點著陸六自由度模型,在Matlab-Simulink環(huán)境下建立了深空探測器軟著陸六自由度閉環(huán)仿真系統(tǒng),通過該系統(tǒng)分析了系統(tǒng)建模誤差、控制器控制精度以及姿態(tài)控制延時對著陸軌道控制的影響,驗證了本文中所提出的深空探測器精確定點