火星精確著陸軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)算法研究.pdf

1、在火星表面實(shí)現(xiàn)精確著陸是未來(lái)火星探測(cè)任務(wù)的必然趨勢(shì)和要求，探測(cè)器火星大氣層內(nèi)飛行階段的制導(dǎo)和控制水平直接決定了未來(lái)火星著陸任務(wù)的精度，甚至是任務(wù)的成敗。傳統(tǒng)的火星著陸大氣層內(nèi)飛行階段的制導(dǎo)控制方法不能滿(mǎn)足未來(lái)火星精確著陸的要求，因此，對(duì)火星大氣層內(nèi)飛行的著陸軌跡與制導(dǎo)算法進(jìn)行研究，發(fā)展下一代火星著陸的制導(dǎo)控制算法，是火星探測(cè)任務(wù)深入發(fā)展的必然要求。
　　本學(xué)位論文結(jié)合科技部973項(xiàng)目“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問(wèn)題研究”和國(guó)家

2、自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深空探測(cè)自主導(dǎo)航理論與方法研究”，針對(duì)影響火星著陸精度的誤差因素，對(duì)火星精確著陸軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)算法進(jìn)行了深入研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，對(duì)火星著陸大氣進(jìn)入點(diǎn)著陸器狀態(tài)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究。為了降低導(dǎo)航誤差不確定性對(duì)開(kāi)傘點(diǎn)著陸器狀態(tài)的影響，本文引入靈敏度函數(shù)，給出了考慮導(dǎo)航誤差不確定性的大氣進(jìn)入點(diǎn)著陸器狀態(tài)的魯棒設(shè)計(jì)方法；然而，在利用該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要將著陸器在大氣進(jìn)入點(diǎn)處的狀態(tài)不確定性經(jīng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)

3、映射到開(kāi)傘點(diǎn)處，這種映射關(guān)系的計(jì)算十分耗時(shí)，因此將一種基于譜分解方法的非線(xiàn)性不確定度分析方法應(yīng)用到火星著陸系統(tǒng)開(kāi)傘點(diǎn)誤差分析當(dāng)中，并針對(duì)這種不確定度分析方法在積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)所表現(xiàn)出的誤差過(guò)大現(xiàn)象，給出了一種基底調(diào)整策略，提出了一種基于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)譜分解方法的火星著陸開(kāi)傘點(diǎn)不確定度分析方法，提高了計(jì)算效率和計(jì)算精度。
　　其次，對(duì)火星大氣進(jìn)入段縱向制導(dǎo)算法進(jìn)行了研究。針對(duì)傳統(tǒng)基于加速度輪廓曲線(xiàn)的制導(dǎo)算法進(jìn)行了改進(jìn)，主要包括兩個(gè)方面：第

4、一，在分析著陸器在高海拔地區(qū)著陸時(shí)的著陸器狀態(tài)和控制量的特性的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的邊界阻力加速度-能量曲線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而使其滿(mǎn)足能夠在高海拔地區(qū)著陸的任務(wù)要求；第二，設(shè)計(jì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器對(duì)軌跡跟蹤系統(tǒng)中的不確定參數(shù)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，提高了加速度-能量輪廓曲線(xiàn)跟蹤控制器的魯棒性和跟蹤精度。
　　接著，對(duì)火星大氣進(jìn)入段的三維空間制導(dǎo)算法進(jìn)行了研究。鑒于偽譜法在軌跡優(yōu)化問(wèn)題應(yīng)用當(dāng)中的優(yōu)勢(shì)，本文采用Radau偽譜法生成三維空間的全狀態(tài)軌跡曲線(xiàn)

5、，并結(jié)合著陸軌跡的非線(xiàn)性強(qiáng)度和Radau多項(xiàng)式對(duì)著陸軌跡的擬合精度，給出分段區(qū)間與節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，計(jì)算指標(biāo)函數(shù)和約束方程的雅克比矩陣，進(jìn)而提出了基于自適應(yīng)Radau偽譜法的三維空間全狀態(tài)著陸軌跡優(yōu)化方法。更進(jìn)一步地，以李導(dǎo)數(shù)為工具考察著陸器控制量和狀態(tài)之間的關(guān)系，利用預(yù)測(cè)控制理論設(shè)計(jì)了控制約束情況下的軌跡跟蹤算法。
　　最后，對(duì)火星著陸動(dòng)力下降段的制導(dǎo)算法進(jìn)行了研究。對(duì)火星著陸器動(dòng)力下降段的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了分析，得到了適用