嫦娥三號(hào)軟著陸軌道設(shè)計(jì)與控制策略畢業(yè)論文-展示頁(yè)
2024-09-09 16:30本頁(yè)面
【正文】 動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為 )。G為萬(wàn)有引力常數(shù)，由附件 1 得月球平均半徑 R =。 0F 和 ?F分別為 )。 D A F L 月球表面 15km 3km 圖 521 著陸軌道運(yùn)動(dòng)軌跡大致示意圖 7 方程（ 3）中的右函數(shù) )。 為了便于分析，將著陸軌道的拋物線運(yùn)動(dòng)如下圖 521所示， 與地球衛(wèi)星情況類似，分別采用如下長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間單位： ????????????)7 9 0 0 3 4m i n (2 4 6 )/(][][6 4 7 3 7][2/13esGMRTGMMMkmRLe力常數(shù)月球質(zhì)量，對(duì)應(yīng)月心引月球赤道平均半徑 （ 1） 相應(yīng)地，有 1?G ， 1??GM? .建立月心平赤道坐標(biāo)系如圖 522，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方程如下： ? ???????????????000000)(,)(:)。 問題一模型的建立與求解 模型一：月球衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的主要攝動(dòng)源及力模型的建立 據(jù)查閱資料，我們把平均高度 h=100300km 的月球衛(wèi)星定為低軌。 ：一個(gè)天體繞另一個(gè)天體沿二體問題的軌道運(yùn)行時(shí)，因受到其他天體的吸引或其他因素的影響，天體運(yùn)動(dòng)會(huì)偏離原來(lái)的軌道。又由于在測(cè)量數(shù)據(jù)中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始速度誤差是造成軟著陸避障和精確定點(diǎn)軟著陸的主要誤差源 , 它會(huì)造成位置誤差隨時(shí)間的累積而不斷變大 . 我們通過建立誤差分析系統(tǒng)和誤差敏感系數(shù)矩陣分別分析問題（ 2）中設(shè)計(jì)的著陸軌道和最優(yōu)控制策略。 首先我們對(duì)題目附錄 3 和附錄 4 中，距 2400m 的數(shù)字高程圖和據(jù)月面 100m的數(shù)字高程圖，我們轉(zhuǎn)化為三維高程圖和等高圖，見論文附錄 2和附錄 3。 由于月球表面附近沒有大氣，所以在飛行器的動(dòng)力學(xué)模型中沒有大氣阻力項(xiàng)。由近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)的幾何關(guān)系，進(jìn)而確定遠(yuǎn)月點(diǎn)的位置。 3. 對(duì)于問題 2 中我們?cè)O(shè)計(jì)的著陸軌道和控制策略，結(jié)合附件 3 和附件 4 的高程圖，做相應(yīng)的誤差分析和敏感性分析。既要滿足每個(gè)階段在關(guān) 鍵點(diǎn)所處的狀態(tài)，又要盡量 減少軟著陸過程的燃料消耗 ，我們需要建立數(shù)學(xué)模型并且討論和求解以下問題： 1．通過建立月心平赤道坐標(biāo)系， 確定橢圓形 軌道近月點(diǎn) 和遠(yuǎn)月點(diǎn)的 位置 ；利用開普勒第二定律和機(jī)械能守恒，求出嫦娥三號(hào)相應(yīng)速度的大小與方向。 嫦娥三號(hào)在高速飛行的情況下，要保證準(zhǔn)確地在月球預(yù)定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟著陸，關(guān)鍵問題是著陸軌道與控制策略的設(shè)計(jì)。在四周安裝有姿態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)，在給定主減速發(fā)動(dòng)機(jī)的推力方向后，能夠自動(dòng)通過多 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖組合實(shí)現(xiàn) 各種 姿態(tài) 的調(diào)整控制。然后又通過誤差分析系統(tǒng)的建立， 誤差敏感系數(shù)矩陣 的求取方法和步驟的分析，得出設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)的著 陸軌道和控制策略的誤差分析和敏感性分析結(jié)論 關(guān)鍵詞：逆推法 開普勒第二定律 機(jī)械能守恒 蟻群分析 最優(yōu)控制策略 二體模型 關(guān)系函數(shù) 誤差敏感系數(shù)矩陣 一、 問題重述 3 嫦娥三號(hào)于 2020 年 12月 2日 1時(shí) 30分 成功發(fā)射， 12 月 6 日 抵達(dá) 月球軌道 。 對(duì)于問題三，首先我們通過將題目中附件 3 和附件 4 導(dǎo)入 matlab 中，得出高程圖和等高圖，可以判斷哪塊區(qū)域較平坦，給衛(wèi)星水平移動(dòng)提供理論依據(jù)。通過六個(gè)階段的狀態(tài)，確定線性方程。 題目中要求遠(yuǎn)、近月點(diǎn)相應(yīng)的速度，我們通過 簡(jiǎn)化的橢圓軌道模型 ，根據(jù) 開普勒第二定律 和 機(jī)械能守恒 （由于月球無(wú)大氣，著陸器環(huán)月飛行無(wú)能量耗散），列出相應(yīng)公式，求出近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)的速度。本題要求我們根據(jù)嫦娥三號(hào)的預(yù)定著落點(diǎn)和六個(gè)階段關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)，建立數(shù)學(xué)模型，確定著陸準(zhǔn)備軌道位置和六個(gè)階段的最優(yōu)控制策略，并對(duì)它們做相應(yīng)的誤差分析和敏感性分析。 1 畢業(yè)論文 嫦娥三號(hào)軟著陸軌道設(shè)計(jì)與控制策略 2 摘要 嫦娥三號(hào)于 2020 年 12月 2日 1時(shí) 30分成功發(fā)射，探測(cè)器在高速飛行情況下，通過多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖組合以實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)的調(diào)整控制。要保證探測(cè)器在月球預(yù)定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟著陸，關(guān)鍵是著陸軌道與各個(gè)階段控制策略的設(shè)計(jì)。 對(duì)于問題一，要求得著陸準(zhǔn)備軌道（即橢圓軌道）近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)的位置，通過查閱資料，對(duì)一般 底軌月球衛(wèi)星，地球引力攝動(dòng)幾乎與月球非球形引力攝動(dòng)相當(dāng)，假設(shè)不能忽略地球扁率項(xiàng)攝動(dòng)，通過建立嫦娥三號(hào)橢圓運(yùn)動(dòng)的 主要攝動(dòng)源及力模型 ，通過在 3000m 位置經(jīng)緯度 逆推法 確定近月點(diǎn)的位置，并通過遠(yuǎn)月點(diǎn)和近月點(diǎn) 位置關(guān)系 ，進(jìn)而求出遠(yuǎn)月點(diǎn)位置。 對(duì)于問題二，要確定嫦娥三號(hào)的著陸軌道，我們采取基于 蟻群算法 的軟著陸軌跡優(yōu)化模型，將這一過程在 二體模型 下 描述，建立整個(gè)過程的制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向角 )(t? 與時(shí)間 t 的 關(guān)系函數(shù) 。通過燃料消耗指標(biāo)公式 ? ??? ftt dttmJ 0 )(取得最小值，確定最優(yōu)控制策略。接著我們建立了 初始狀態(tài)誤差模型 和 傳感器誤差模型 。嫦娥三號(hào)在著陸準(zhǔn)備軌道上的運(yùn)行質(zhì)量為 ，其安裝在下部的主減速發(fā)動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生 1500N到 7500N 的可調(diào)節(jié)推力，其比沖（即 單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生 的推力 ）為 2940m/s， 可以 滿足調(diào)整 速度 的 控制 要求。嫦娥三號(hào)的 預(yù)定著陸點(diǎn) 為 ， ， 海拔 為 2641m。根據(jù)其著陸軌道設(shè)計(jì)的基本要求：著陸準(zhǔn)備軌道為近月點(diǎn) 15km，遠(yuǎn)月點(diǎn) 100km 的橢圓形軌道；著陸軌道為從近月點(diǎn)至著陸點(diǎn)，其軟著陸過程共分為 6個(gè)階段。 2. 根據(jù)附件 2 嫦娥三號(hào)著陸過程的六個(gè)階段及其狀態(tài)要求，建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ停?確定嫦娥三號(hào)的著陸軌道；并在滿足減少軟著陸過程燃料消耗情況下，確定6個(gè)階段的最 優(yōu)控制策略。 二、問題 假設(shè) 1．假設(shè)月球?yàn)榫鶆蛞?chǎng)； 2．假設(shè)著陸器軟著陸過程中的月球自轉(zhuǎn)忽略； 3．假設(shè)著陸器在一個(gè)固定的鉛垂面內(nèi)運(yùn)動(dòng)； 4．在模型一中，假設(shè)僅考慮地球引力攝動(dòng)和月球非球形引力對(duì)著陸器的影響； 5．在模型三中，假設(shè)不考慮攝動(dòng)項(xiàng)對(duì)著陸器的影響； 二、 主要符號(hào)說(shuō)明一覽表 4 符號(hào) 符 符號(hào)的含義及單位 M 月球的質(zhì)量（ kg） m 著陸器的質(zhì)量 (kg) R 月球平均半徑 (km
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