行星着陆轨迹规划与制导控制方法研究

发布时间：2017-08-11 15:03

  本文关键词：行星着陆轨迹规划与制导控制方法研究

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【摘要】：行星着陆探测和采样返回是深空探测活动的主要形式之一,其中行星着陆轨迹规划与制导控制是实现安全、精确着陆的关键技术。本学位论文结合国家973计划项目—“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”,针对火星和小行星着陆过程中存在的多约束、动力学环境复杂、星表形态多样等情况,以节省燃料和提高着陆精度为目标,对着陆轨迹规划与制导控制方法进行了深入研究。论文的主要研究工作如下:首先,对火星和小行星着陆过程动力学模型中参数不确定性对着陆误差的影响进行了分析。考虑火星和小行星着陆过程中存在参数不确定性的特点,采用线性协方差方法推导了行星着陆过程的误差传播方程,并分析了初始状态、推力方向和大小以及天体自身参数等偏差对着陆误差的影响机理。其次,对火星和小行星着陆轨迹规划方法进行了研究。利用高斯伪谱法将连续的行星着陆最优控制问题转化为非线性规划问题进行求解,避免了间接法求解存在的初值猜测难等问题。考虑火星初始状态偏差的影响,推导了着陆误差对初始状态偏差的闭环敏感度,并以燃料消耗和敏感度为性能指标进行轨迹优化,达到降低燃料消耗和初始状态偏差影响的目标。另外,基于小行星附着过程误差传播方程,通过在轨迹优化过程中引入跟踪制导策略,提高了着陆轨迹对参数不确定性的鲁棒性。接着,对火星动力下降过程的在线制导与控制方法进行了研究。通过引入松弛变量,将火星着陆动力学模型中的非凸控制约束转化为凸约束,从而利用二阶锥规划算法求解了动力下降制导问题。另外,将简化的敏感度方程增广为着陆器的状态方程,进一步提出了基于序列凸规划的弱敏感制导方法。同时,为减小着陆区地形的影响,提出了基于导航函数的自主障碍规避控制方法。然后,对探测器在弱不规则引力场中的自主控制策略进行了研究。针对弱不规则引力场中探测器自然运动易出现不稳定的现象,通过设计悬停控制器,实现了探测器在弱不规则引力场中定点探测,并分析了其运动的稳定区域。为了在小行星表面精确、安全着陆,提出基于Lyapunov的常推力喷嘴的自主开关控制方法,能够同时完成着陆器姿轨控制,满足平稳着陆到小行星表面的精度要求,且控制方法具有解析形式。最后,对火星和小行星附着过程进行了综合仿真。开发了火星动力下降制导综合仿真软件,涵盖了地形检测与评估模块及制导算法验证模块,可用于着陆地形评估、着陆点选择以及对跟踪制导算法进行验证。另外,开发了基于dSPACE和PC104的小行星自主附着实时仿真系统,dSPACE仿真机实现着陆动力学环境模拟,PC104计算机实时完成制导控制算法验证。
【关键词】：火星着陆 小行星附着 轨迹规划 制导控制 障碍规避
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2;V476.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-28
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.1.1 课题来源13
• 1.1.2 研究目的和意义13-14
• 1.2 行星着陆探测典型任务回顾14-18
• 1.2.1 火星着陆探测典型任务14-16
• 1.2.2 小行星附着探测典型任务16-18
• 1.3 行星着陆制导面临的主要问题18-21
• 1.3.1 着陆环境不确知18-19
• 1.3.2 行星表面地表形态多样19-20
• 1.3.3 小行星附近动力学复杂20-21
• 1.4 行星着陆轨迹规划与制导控制技术研究进展21-26
• 1.4.1 轨迹规划技术研究进展21-22
• 1.4.2 火星着陆制导控制技术研究进展22-24
• 1.4.2.1 跟踪制导技术研究进展22-23
• 1.4.2.2 在线制导技术研究进展23-24
• 1.4.2.3 障碍规避控制技术研究进展24
• 1.4.3 小行星附近自主控制技术研究进展24-26
• 1.5 论文主要研究内容26-28
• 第2章 行星着陆动力学建模与参数影响分析28-38
• 2.1 引言28
• 2.2 行星着陆动力学建模28-32
• 2.2.1 坐标系定义及着陆动力学建模28-30
• 2.2.2 小行星探测器附着动力学建模30-31
• 2.2.3 火星探测器动力下降动力学建模31-32
• 2.3 行星着陆不确定参数影响分析32-37
• 2.3.1 误差方程33
• 2.3.2 数值仿真与分析33-37
• 2.3.2.1 火星动力下降初始状态偏差影响分析33-35
• 2.3.2.2 小行星附着参数不确定性影响分析35-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 参数不确定条件下行星着陆轨迹规划方法38-53
• 3.1 引言38
• 3.2 行星着陆轨迹优化问题描述38-39
• 3.3 基于高斯伪谱法的着陆轨迹规划方法39-44
• 3.3.1 最优控制问题转化39-41
• 3.3.2 数值仿真与分析41-44
• 3.3.2.1 火星动力下降最优轨迹41-42
• 3.3.2.2 小行星附着最优轨迹42-44
• 3.4 考虑跟踪制导的火星动力下降轨迹优化方法44-47
• 3.4.1 反馈增益设计44-45
• 3.4.2 状态偏差敏感度45-46
• 3.4.3 数值仿真与分析46-47
• 3.5 小行星附着轨迹抗差优化方法47-52
• 3.5.1 误差建模与随机状态方程47-48
• 3.5.2 闭环协方差性能指标48-49
• 3.5.3 数值仿真与分析49-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第4章 火星着陆器动力下降在线制导与控制方法53-72
• 4.1 引言53
• 4.2 火星动力下降凸规划制导方法53-59
• 4.2.1 推力约束凸化处理53-56
• 4.2.2 线性化处理56-57
• 4.2.3 离散化处理57-58
• 4.2.4 数值仿真与分析58-59
• 4.3 基于序列凸规划的弱敏感制导方法59-64
• 4.3.1 敏感度参数增广59-60
• 4.3.2 序列凸规划制导算法60-62
• 4.3.3 数值仿真与分析62-64
• 4.4 基于导航函数的自主障碍规避控制方法64-71
• 4.4.1 地形评估与着陆点选择64-67
• 4.4.1.1 最佳着陆区平面拟合64-66
• 4.4.1.2 着陆区域坡度计算66
• 4.4.1.3 数值仿真与分析66-67
• 4.4.2 基于导航函数的自主障碍规避控制方法67-68
• 4.4.3 数值仿真与分析68-71
• 4.5 本章小结71-72
• 第5章 弱不规则引力场中探测器制导与控制方法72-90
• 5.1 引言72
• 5.2 小行星弱不规则引力场分析72-75
• 5.2.1 小行星引力场多面体模型72-73
• 5.2.2 仿真结果与分析73-75
• 5.3 近小行星悬停控制稳定区域分析75-79
• 5.3.1 悬停运动线性化模型75-76
• 5.3.2 稳定区域分析76-78
• 5.3.3 数值仿真与分析78-79
• 5.4 弱不规则引力场中探测器悬停控制策略79-82
• 5.4.1 高度测量模型79-80
• 5.4.2 悬停控制策略80-81
• 5.4.3 数值仿真与分析81-82
• 5.5 基于Lyapunov函数的附着制导与控制方法82-89
• 5.5.1 姿轨耦合运动模型82-85
• 5.5.2 基于Lyapunov函数的制导方法85-87
• 5.5.3 数值仿真与分析87-89
• 5.6 本章小结89-90
• 第6章 行星着陆制导与控制综合仿真验证90-98
• 6.1 引言90
• 6.2 火星动力下降制导综合仿真90-94
• 6.2.1 地形检测与评估模块91-92
• 6.2.2 制导综合仿真模块92-94
• 6.3 小行星自主附着实时仿真系统94-97
• 6.3.1 实时仿真系统结构与构成94-96
• 6.3.2 实时仿真与分析96-97
• 6.4 本章小结97-98
• 结论98-100
• 参考文献100-108
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单108-110
• 致谢110-111
• 作者简介111

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