月面返回的自主制導與控制.pdf

1、月面返回技術是載人登月任務中的一項關鍵技術。本文針對月面返回階段中軌道設計、上升軌跡設計、制導與控制等問題進行深入的研究,主要內容如下:
　　首先,給出軌道設計中相關角度的計算方法。對于短期的月球訪問任務,考慮月球自轉,上升艙返回時很有可能不在目標軌道平面內,上升艙入軌后需要執(zhí)行軌道平面轉移指令,以便完成軌道交會。本文給出了最小楔角(平面轉移角)的求解方法,并給出隨時中止任務最壞楔角最小時全球著陸區(qū)域目標軌道傾角和上升軌道傾角的求

2、解公式。
　　然后,進行月面上升段制導律設計。針對登月艙上升段軌跡優(yōu)化問題,建立上升艙動力學模型,對模型進行無量綱化處理;以燃料最優(yōu)為指標,利用Pontryagin極小值原理,將最優(yōu)問題轉化為時間自由的兩點邊值問題(TPBVP),在初值猜測基礎上采用向前掃描法求解TPBVP。進一步,給出上升段閉環(huán)制導律。針對燃料最優(yōu)制導律存在計算復雜、實時性差、適應能力弱的問題,本文采用顯式制導方法設計閉環(huán)制導律。首先,在目標點軌道坐標系內建立上

3、升艙的運動學方程,然后,將控制量近似為多項式表達式,由上升艙的當前狀態(tài)和終端目標求解多項式的系數(shù),從而實現(xiàn)上升艙的實時制導。
　　接下來,進行上升段大角度姿態(tài)機動控制律設計。針對剛體航天器的大角度機動姿態(tài)控制問題,首先,建立系統(tǒng)非線性運動方程組,然后利用精確反饋線性化方法,將系統(tǒng)方程轉換為Brunovsky標準型,對線性子系統(tǒng)設計了PID控制器。對于常值推力姿控發(fā)動機采用脈沖調寬—調頻(PWPF)方法,實現(xiàn)了控制器變推力要求。