2016年中國的首次火星探測正式立項(xiàng),計(jì)劃在2020年前后擇機(jī)發(fā)射探測器,一步實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸、巡視三個(gè)目標(biāo)。本學(xué)位論文結(jié)合國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問題研究”以及我國首次火星著陸探測任務(wù),系統(tǒng)深入地研究了高超聲速進(jìn)入段軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)方法設(shè)計(jì)問題。主要的研究內(nèi)容總結(jié)如下:針對火星進(jìn)入段著陸器動(dòng)力學(xué)建模問題,較為系統(tǒng)地給出了火星環(huán)境數(shù)學(xué)模型,然后在牛頓力學(xué)的理論體系內(nèi)推導(dǎo)了著陸器的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程組以及姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程組,得到了著陸器運(yùn)動(dòng)仿真模型以及制導(dǎo)設(shè)計(jì)模型。針對著陸器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡控制以及姿態(tài)控制問題,詳細(xì)給出了經(jīng)典的基于進(jìn)入終端控制器(Entry Terminal Point Controller,ETPC)的制導(dǎo)方法以及姿態(tài)控制方法。該研究內(nèi)容為全文的制導(dǎo)設(shè)計(jì)、仿真以及評估提供數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)。研究提出了進(jìn)入終端高度(Entry Terminal Altitude,ETA)優(yōu)化及其參數(shù)分析的理論、模型與算法。針對ETA優(yōu)化過程出現(xiàn)的協(xié)狀態(tài)初值猜測問題,建立了ETA優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,提出了傾側(cè)角剖面快速優(yōu)化方法。該方法有效地增強(qiáng)了協(xié)狀態(tài)初值的收斂性,提高了ETA優(yōu)化計(jì)算效率。在該方法的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步針對進(jìn)入角、傾側(cè)角控制余量等軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)分析問題,提出了快速的參數(shù)分析方法,改善了軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)分析涉及的數(shù)值迭代收斂性、快速性以及穩(wěn)定性等問題。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,最優(yōu)的傾側(cè)角剖面是一種Bang-Bang形式的解;峰值過載與峰值熱流隨著最優(yōu)ETA的增加而上升;不同的進(jìn)入角、傾側(cè)角控制余量,最優(yōu)ETA的計(jì)算結(jié)果有較大的差異。研究提出了含有過載、熱流以及動(dòng)壓等路徑約束的ETA間接優(yōu)化模型與算法。在上述ETA優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上,建立了含有過載等路徑受約束的ETA優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。針對路徑約束處理問題,發(fā)展了基于精確罰函數(shù)理論以及函數(shù)光滑化技術(shù)的路徑約束處理方法,避免了傳統(tǒng)間接方法的最優(yōu)解先驗(yàn)信息猜測難題及其復(fù)雜繁冗的多點(diǎn)邊值問題(Multi-Point Boundary Value Problem,MPBVP)推導(dǎo)與求解。進(jìn)一步結(jié)合前一個(gè)研究內(nèi)容的協(xié)狀態(tài)初值猜測技術(shù),對性能指標(biāo)進(jìn)行了重構(gòu),然后分析了算法中相關(guān)參數(shù)對計(jì)算精度的影響。提出的算法不涉及MPBVP推導(dǎo)與求解,有效地解決了路徑約束處理問題。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,路徑約束在一定的程度上降低最優(yōu)ETA;為了滿足路徑約束,傾側(cè)角在進(jìn)入初期取最小允許值;在整個(gè)進(jìn)入段,最優(yōu)傾側(cè)角也是一種Bang-Bang形式的解;在路徑約束下,傾側(cè)角的跳變次數(shù)與進(jìn)入角有關(guān),進(jìn)入角較為平緩時(shí)傾側(cè)角需要進(jìn)行兩次跳變來獲得最優(yōu)ETA。研究提出了受約束的火星數(shù)值預(yù)測校正(Constrained Numerical PredictorCorrector,CNPC)制導(dǎo)的設(shè)計(jì)模型與算法。在著陸器三自由度運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上,建立了縱向的CNPC制導(dǎo)設(shè)計(jì)模型。針對過載受約束的進(jìn)入制導(dǎo)方法設(shè)計(jì)問題,研究了過載約束在算法設(shè)計(jì)中的數(shù)學(xué)表達(dá)問題,提出了一種新型的CNPC制導(dǎo)算法,解決了現(xiàn)有方法過度依賴于模型的簡化處理與假設(shè)問題。分析了該CNPC制導(dǎo)算法在各種極限偏差、擾動(dòng)工況下的工作機(jī)理。與經(jīng)典或者無約束的數(shù)值預(yù)測校正(Unconstrained Numerical Predictor-Corrector,UNPC)制導(dǎo)一致,該CNPC制導(dǎo)算法是基于單參數(shù)搜索策略,因而不會(huì)導(dǎo)致算法復(fù)雜度的增加。數(shù)值仿真計(jì)算分析與比較表明,該CNPC制導(dǎo)算法的可在不降低航程控制魯棒性的前提下,有效地滿足過載約束。在上述研究成果的基礎(chǔ)上,根據(jù)我國首次火星進(jìn)入著陸探測任務(wù)要求,詳細(xì)地進(jìn)行了進(jìn)入制導(dǎo)方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及分析。在開傘約束高可靠性設(shè)計(jì)要求的前提下,優(yōu)化設(shè)計(jì)了兩個(gè)制導(dǎo)方案,確定了當(dāng)前著陸器能達(dá)到的著陸精度。該研究分析確定了進(jìn)入走廊以及降落傘展開條件。根據(jù)開傘高度、開傘馬赫數(shù)以及開傘動(dòng)壓約束,對基于ETPC制導(dǎo)方法的攝動(dòng)制導(dǎo)方案進(jìn)行了參考軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)以及軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)權(quán)衡選取。然后,研究了數(shù)值預(yù)測校正(Numerical Predictor-Corrector,NPC)制導(dǎo)方法在該任務(wù)中的應(yīng)用及其優(yōu)化設(shè)計(jì),確定了NPC制導(dǎo)的傾側(cè)角參考剖面、制導(dǎo)周期以及進(jìn)入角等設(shè)計(jì)。最后,依據(jù)開傘約束條件、姿態(tài)反作用控制系統(tǒng)消耗的燃料以及開傘點(diǎn)散布橢圓等多個(gè)性能指標(biāo)對這兩個(gè)制導(dǎo)方案,進(jìn)行了比較分析。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V448.2

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本文編號：2298789