2014年高教社杯A题《嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略》全国一等奖优秀论文

嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略

摘要

为了确保登月探测器在月球表面平稳降落，必须严格设计控制方案与软着陆的轨道

路线，以保证科研任务的完成。本文建立了一系列关于登月探测器软着陆轨道设计及控制策略的简洁模型。

对于问题一通过建立月固坐标系、惯性坐标系和轨道坐标系，利用开普勒第三定律，确定了嫦娥三号在近月点和远月点处的速度大小和方向。在计算时采用了月球的极区半径，相对平均半径而言，所确定的近月点和远月点的坐标更加准确。对于位置的确定，我们做了一定的简化。假设绕月椭圆轨道的近月点即在月球北极点正上方，进而可以得到近月点位置；同时，远月点位置与近月点位置相对应，也可得出其经纬度。近月点位置为Pn 19.51W,90N ，速度为1.707km/s。远月点位置为Pf 19.51W,90S ，速度为1.707km/s。

对于问题二,其着陆准备轨道的起始点的确定，这里考虑了月球自转的影响，在主减速阶段，针对嫦娥三号精确定点着陆问题利用参数化模型解决了变推力软着陆最优控制问题，并给出了最小燃油消耗的策略。利用Matlab编程，通过计算机仿真运算，利用参数化控制，可以得到总耗时647.8s，落地时，燃料消耗量为1.137t，仿真结果为着陆器能精确到达目的点。同时得到初始点经纬坐标 19.27W,30.12N 。对于粗避障和精避障阶段的避障策略，首先，利用边缘检测技术，将高程图中的坑洞边缘检测出来，避免着陆器落入，信号被屏蔽。之后，利用高程图各数据点统计学上的数字特征进行障碍识别。对于粗避障阶段，在识别时预先确定识别区域范围，减少了算法的复杂度；对于精避障阶段，考虑到嫦娥三号着陆器与探测车之间的互拍任务[2]，这里相应的扩大了避障的区域范围，降低了探测车在五次拍照过程中的风险。

对于采用的参数化控制模型，可以通过经典的参数优化算法得到软着陆最优控制的一组逼近解和软着陆最优处置点位置以及终端时刻。经与实际数据对比，通过本模型确定的着陆准备轨道的初始点与实际着陆准备轨道的初始点的绝对误差较小；通过与其他模型相比，本模型在探测器到达目的地时的燃料剩余量相对较多，并且降落位置精准。

对于问题三，主要考虑了发动机推力大小及方向的变化对着陆精度影响，以及对地球引力对探测器的影响进行了敏感度分析，用Matlab进行了初步仿真分析，结果证明控制策略可行，并且地球引力对结果的影响可忽略。