本文从月球探测器轨道动力学方程出发,求出方程的解及所需最小发射速度;文章在介绍地一月探测器轨道类型及月球轨道计算模型后,探讨了一种绕飞方案的轨道选择;最后指出其轨道特性和制导精度要求。

针对以接近甚至超过第二宇宙速度再入地球的登月飞行器制导任务,研究了满足热流、过载、落区等约束的返回舱再入制导律。月球返回舱是低升阻比弹道升力式再入飞行器,控制策略是改变倾侧角的符号和大小。倾侧角大小的确定转化为一个单变量非线性方程求根的问题,倾侧角符号的确定依倾侧反转逻辑来满足横向走廊,其中横向走廊设计成速度的函数。通过综合偏差的Monte Carlo仿真评价制导算法的性能,仿真结果表明制导的纵向标准偏差在30km左右,横向标准偏差小于5km。此外,分析了影响滚转速率的因素,给出了调整反馈增益系数和减小滚转速率及制导精度的关系。

着重对月球软着陆制动段、接近段和着陆段的飞行动力学模型进行了研究,同时基于动力学模型对各阶段制导律进行了优化设计.制动段飞行时间和距离较长,拟采用均匀球体模型,该模型也是软着陆全过程下降轨迹分析和动力学仿真的基础;制导律设计中考虑到该段燃料消耗很大,主要以燃料最优为设计指标.接近段距离月面较近,且经姿态调整后接近垂直下降,拟采用平面月球模型;制导律设计采用基于重力转弯技术的最优开关制导律.着陆段几乎垂直下降,动力学模型可在平面月球模型的基础上简化为一维垂直下降模型,制导律设计拟在垂直方向采用简单的程序制导方式.最后,在考虑测量、推力误差以及环境干扰等影响下对着陆精度进行了初步仿真分析,结果表明,给出的软着陆三阶段动力学模型和制导律是可行的.

随着任务需求的复杂化,实现高精度定点软着陆是未来月球探测的必然要求。首先,基于简化的软着陆动力学模型,通过求解特殊两点边值问题,给出了一种实时显式制导方法。其次,建立了月球软着陆主制动段的误差模型,并运用误差敏感系数矩阵对所提出制导律的制导误差进行分析。结果表明,与初始位置偏差相比,初始速度偏差对终端各状态的影响要大;位置、速度测量误差分别只对本轴终端位置、速度影响较大;制导律对刻度因素误差最敏感。

分析了月球着陆舱在制动减速段对于控制的要求。以燃耗次优为出发点,求解得到无需进行迭代计算的期望姿态角计算公式,推导出仅与着陆舱的状态变量和终端约束相关的显式制导方案。基于滑模变结构控制方法,根据实际姿态角和期望姿态角的偏差,采用指数趋近律和边界层削抖的方法,设计了姿态跟踪系统,给出了姿控发动机的控制方案。仿真结果表明,该控制系统能够实现制动减速段的飞行目标,着陆舱经过514 s飞行后,在距月面2 km处将速度减为零,将姿态调整到垂直向下,较好地完成了飞行任务。

提出了一种新的使用变推力火箭发动机实现月球定点软着陆制导的优化方法。在软着陆加速度抛物线(即二次函数)变化的条件下,通过一组代数方程连接初始条件和终端条件,避免了求解两点边值问题的迭代计算。给出了瞬时位置速度状态参数以及需要推力加速度、推力和秒流量的计算公式,并通过调整总飞行时间和着陆点位置实现了燃料消耗最小的优化处理。算例结果证明了这种方法的可行性和有效性。

对月球软着陆全过程三阶段下降轨迹和制导律进行了优化设计研究,结合工程实际给出了月球软着陆飞行轨迹初步方案。制动段基于均匀球体三维动力学模型,获得一种燃料次优解析制导律;该制导律通过单步优化得到了推力角控制量的解析形式,并在推力角中引入前馈项用以消除近月点初始偏差。接近段采用平面月球模型,利用重力转弯技术,得到了解析形式的最优开关制导律。着陆段以安全性为首要目标,基于垂直降落模型,采用程序控制策略,研究了等效连续变推力制导方法。最后,分别对三阶段下降轨迹和制导律进行了算例分析,给出了软着陆全过程飞行参数变化曲线。结果表明,软着陆下降轨迹和制导律方案的设计和优化是可行的。

软着陆过程的制导控制已经成为月球探测中一个具有挑战性的问题。神经网络与模糊逻辑都是处理不确定性(受控对象缺乏精确的数学描述或具有非线性的复杂性)问题的有效手段。本文根据终端着陆条件和性能指标,以由Pontryagin’s极大值原理得出从近月点到月球表面的最优着陆轨迹为基础,给出一种基于模糊神经网络的非线性最优控制策略,使被控系统能够通过模糊神经网络的非线性映射能力实现某种最优的闭环制导控制。最后通过数学仿真验证了该控制策略的可行性与有效性。

以燃耗最优性为出发点,假设垂直方向上的最优着陆轨迹可以由一关于时间的三次多项式来完全表示,根据开环最优制导设计了月球软着陆的多项式制导控制律。通过对加速度矢量之间的几何关系进行分析可以得到制导控制量-推力方向角的显示表达式。该制导律表达式是剩余时间的函数,而给出的剩余时间表达式只与着陆器的状态变量和终端约束有关,无须进行迭代计算,是一种易于实现的次优闭环实时制导控制方法。

对月球软着陆接近段的最优开关制导律进行了研究,并对飞行轨迹进行了分析。在接近段近乎垂直下降的基础上,利用最大值原理获得了最优开关制导律,并根据实际飞行情况采用质量不变假设,从而得到了开关切换量的解析形式,利于星上计算和控制。最后,对不同制动力、下降速度和下降角等因素影响下的飞行轨迹进行了仿真分析,得到了一些有意义的结论,同时证明了该制导律的有效性。