月面返回的自主制導(dǎo)與控制.pdf

1、月面返回技術(shù)是載人登月任務(wù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)月面返回階段中軌道設(shè)計(jì)、上升軌跡設(shè)計(jì)、制導(dǎo)與控制等問(wèn)題進(jìn)行深入的研究,主要內(nèi)容如下:
　　首先,給出軌道設(shè)計(jì)中相關(guān)角度的計(jì)算方法。對(duì)于短期的月球訪問(wèn)任務(wù),考慮月球自轉(zhuǎn),上升艙返回時(shí)很有可能不在目標(biāo)軌道平面內(nèi),上升艙入軌后需要執(zhí)行軌道平面轉(zhuǎn)移指令,以便完成軌道交會(huì)。本文給出了最小楔角(平面轉(zhuǎn)移角)的求解方法,并給出隨時(shí)中止任務(wù)最壞楔角最小時(shí)全球著陸區(qū)域目標(biāo)軌道傾角和上升軌道傾角的求

2、解公式。
　　然后,進(jìn)行月面上升段制導(dǎo)律設(shè)計(jì)。針對(duì)登月艙上升段軌跡優(yōu)化問(wèn)題,建立上升艙動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)模型進(jìn)行無(wú)量綱化處理;以燃料最優(yōu)為指標(biāo),利用Pontryagin極小值原理,將最優(yōu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為時(shí)間自由的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題(TPBVP),在初值猜測(cè)基礎(chǔ)上采用向前掃描法求解TPBVP。進(jìn)一步,給出上升段閉環(huán)制導(dǎo)律。針對(duì)燃料最優(yōu)制導(dǎo)律存在計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、適應(yīng)能力弱的問(wèn)題,本文采用顯式制導(dǎo)方法設(shè)計(jì)閉環(huán)制導(dǎo)律。首先,在目標(biāo)點(diǎn)軌道坐標(biāo)系內(nèi)建立上

3、升艙的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,然后,將控制量近似為多項(xiàng)式表達(dá)式,由上升艙的當(dāng)前狀態(tài)和終端目標(biāo)求解多項(xiàng)式的系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)上升艙的實(shí)時(shí)制導(dǎo)。
　　接下來(lái),進(jìn)行上升段大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制律設(shè)計(jì)。針對(duì)剛體航天器的大角度機(jī)動(dòng)姿態(tài)控制問(wèn)題,首先,建立系統(tǒng)非線性運(yùn)動(dòng)方程組,然后利用精確反饋線性化方法,將系統(tǒng)方程轉(zhuǎn)換為Brunovsky標(biāo)準(zhǔn)型,對(duì)線性子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了PID控制器。對(duì)于常值推力姿控發(fā)動(dòng)機(jī)采用脈沖調(diào)寬—調(diào)頻(PWPF)方法,實(shí)現(xiàn)了控制器變推力要求。