發(fā)布時間：2017-10-02 12:17

  本文關鍵詞：小型月球著陸器主減速段制導方法研究

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【摘要】：無人月球探測器小型化方案是國際上目前廣泛采用的重要月球探測方案,小型月球探測器可搭載高清晰度成像相機、磁場探測器等多種輕型載荷,完成科學目標成像、月球水冰探測、月球溶洞探測以及月球磁場探測等科學目標。目前我國在模塊化、輕小型探測器研制領域仍處于空白狀態(tài)。因此本文對國際上的小型無人月球探測器進行了調(diào)研,并由此對配備固體火箭發(fā)動機作為主發(fā)動機的小型月球探測器制導與控制方案進行了研究。主要工作如下。首先,分析了小型月球探測器的構型特點,并在此基礎上建立了小型月球探測器的導航、制導與控制系統(tǒng)(以下簡稱GNC系統(tǒng))工作模型和質(zhì)心、姿態(tài)動力學模型。模型中考慮了各個發(fā)動機推力偏心、偏斜產(chǎn)生的影響,并考慮了GNC系統(tǒng)離散的工作特性。然后,對末端水平速度約束條件下的主減速段制導律進行了研究。利用開普勒軌道的軌道參數(shù)與末端運動參數(shù)的對應關系,將末端運動參數(shù)約束轉(zhuǎn)化為軌道參數(shù)約束,從而將軌跡規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為有限推力變軌問題,進而通過最小二乘修正方法得到制導律。該方法收斂性較好,而且迭代初值均為有實際意義的物理量,易于猜測。接下來,對末端高度約束條件下的主減速段制導律進行了研究。首先建立了制導慣性極坐標系下的動力學方程,將目標約束量作為狀態(tài)量,然后將問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制問題。使用偽譜法可以方便地求出最優(yōu)控制問題的解。在此基礎上,針對給定發(fā)動機的配置,研究了主減速段航程的取值范圍,并研究了該范圍內(nèi)的軌道特性,得到了一些有用的結論。最后,針對制導律標稱姿態(tài)變化較快、主發(fā)動機偏心力矩較大的情況設計了一種姿態(tài)控制律�？刂坡梢运脑獢�(shù)作為參數(shù),并引入偏差四元數(shù),構造擬歐拉角以消除目標姿態(tài)的雙值性。并利用攝動雙積分系統(tǒng)的時間最優(yōu)控制設計了姿態(tài)控制律。最后,將前文所述的幾種制導律和姿態(tài)控制律代入GNC系統(tǒng)模型進行了六自由度仿真,得到了比較接近真實情況的GNC系統(tǒng)的工作特性。
【關鍵詞】：月球探測器 主減速段 有限推力變軌 偽譜法 擬歐拉角
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 課題來源、研究目的和意義9-10
• 1.2 小型月球探測器項目介紹10-14
• 1.2.1 美國“通用月球探測器”項目10-11
• 1.2.2“月球網(wǎng)絡（ILN）”計劃11-14
• 1.3 月球探測器主減速段制導技術研究現(xiàn)狀14-17
• 1.4 研究內(nèi)容及章節(jié)安排17-19
• 第2章 著陸探測器GNC系統(tǒng)描述19-31
• 2.1 著陸探測器GNC系統(tǒng)描述19-22
• 2.1.1 著陸探測器構型及飛行過程描述19-21
• 2.1.2 月球探測器GNC系統(tǒng)工作流程21-22
• 2.2 坐標系統(tǒng)22-25
• 2.2.1 坐標系定義22-24
• 2.2.2 坐標系轉(zhuǎn)換關系24-25
• 2.3 慣性系下質(zhì)心動力學模型25-26
• 2.4 目標點當?shù)刈鴺讼迪沦|(zhì)心動力學模型26-28
• 2.5 姿態(tài)動力學模型28-30
• 2.5.1 動力學模型28-29
• 2.5.2 運動學模型29-30
• 2.6 本章小結30-31
• 第3章 水平速度約束條件下的制導律設計31-48
• 3.1 終端水平速度約束下主減速段飛行任務31-32
• 3.2 主減速段目標軌道設計32-36
• 3.2.1 目標點在軌道面內(nèi)的情形33-34
• 3.2.2 目標點在軌道面外的情形34-36
• 3.3 終端水平速度約束下的有限推力制導策略36-42
• 3.3.1 共面情形下的制導策略37-40
• 3.3.2 非共面情況下的制導策略40-42
• 3.4 仿真分析42-46
• 3.4.1 共面制動情況42-44
• 3.4.2 非共面制動情況44-46
• 3.5 本章小結46-48
• 第4章 末端高度約束條件下的制導律設計48-61
• 4.1 末端高度約束的飛行任務48-49
• 4.2 基于偽譜法的主減速段軌道設計49-57
• 4.2.1 問題描述49-51
• 4.2.2 可達區(qū)域的求解51-55
• 4.2.3 帶有航程約束的主減速段軌道設計55-57
• 4.3 航程約束對主減速段運動的影響57-60
• 4.4 本章小結60-61
• 第5章 姿態(tài)控制律設計及探測器六自由度仿真61-75
• 5.1 引言61
• 5.2 姿態(tài)跟蹤控制策略61-64
• 5.2.1 控制系統(tǒng)采用的姿態(tài)動力學模型62
• 5.2.2 擬歐拉角的定義62-63
• 5.2.3 時間最優(yōu)的開關控制律63-64
• 5.3 探測器主減速段六自由度仿真64-74
• 5.3.1 仿真條件64-65
• 5.3.2 約束水平速度的方案仿真65-72
• 5.3.3 約束末端高度的方案仿真72-74
• 5.4 本章小結74-75
• 結論75-77
• 參考文獻77-82
• 致謝82

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本文編號：959561