对于月球软着陆,燃耗最优是制导过程的基本要求。文中首先应用极大值原理设计了最优着陆制导控制律,此时求解最优轨迹变成一个两点边值问题(TPBVP)。本文利用一种基于初值猜测技术的打靶法求解这个两点边值问题,得到软着陆最优轨迹。结果表明该方法可有效改善迭代计算,具有一定的优越性。

针对月球探测器定点着陆任务的需要,研究了基于三维地形匹配的导航方法。对三维地形匹配问题,将高程方差图局部极值点作为三维地形特征,在构建地形特征之间的相对位置与角度不变量的基础上,提出了基于投票的三维地形匹配策略。针对测量噪声统计特性的不确定性,将Sage-Husa噪声估计算子与迭代卡尔曼滤波相结合,通过对测量噪声进行在线估计有效避免滤波精度下降甚至滤波发散的出现。数字仿真结果表明所研究的导航方法能够有效地实现探测器相对位置和姿态的精确估计。

针对惯性测量单元(IMU)存在误差积累的特点,提出了利用探测器上的光学敏感器,通过对预先选定的特征点的测量得出探测器的相对位置,根据这些光学导航信息再结合惯性导航输出轨迹,通过多模自适应滤波完成对IMU导航的修正。对整个导航系统的可观性进行了分析,并通过数值仿真验证了所提出的自主导航方法的可行性。

针对月球探测器在软着陆过程中需要进行大角度姿态机动的情况下,姿态控制系统具有非线性及不确定性的特点,设计了基于Terminal滑模变结构的姿态控制律,并结合月球软着陆过程进行了仿真分析。仿真表明基于Terminal滑模变结构的姿态控制律具有良好的全局鲁棒性,同时姿态控制精度较高,在姿态控制发动机推力为1N时姿态控制精度可达0.02°以内;并且当控制力减小一个数量级,姿态控制的精度将提高5倍,而消耗的推进剂将减少8倍。因此,在月球探测器软着陆过程中,采用Terminal滑模变结构的姿态控制律与小推力的姿态控制推力器相结合的姿态控制方法具有很高的应用价值。

基于磁流变阻尼器在月球着陆器上应用的可行性及其阻尼的可控性,设计了一种磁流变缓冲装置。考虑到着陆时减速火箭的反推力影响以及着陆时地面撞击的作用,假设着陆器的着陆初始高度多变,建立了一种月球着陆器着陆地面冲击模型。根据着陆过程缓冲与减振的要求,采用了软着陆半主动多态控制策略。应用加速度与速度响应进行状态切换,并根据能量守恒原理确定出多态控制缓冲器的状态参数。3种不同被动控制进行比较分析,结果表明,半主动控制缓冲器能很好地降低着陆器着陆冲击时的过载,同时也能很好地减缓其着陆时的振动。采用半主动多态控制策略的着陆器对较高的着陆初始高度和较大的接地下沉速度的适应性很强,其缓冲效率随着着陆初始高度的增加而增加,在达到允许的最大加速度和允许的最大缓冲行程时,缓冲效率达到最高,这能很好地保障着陆器软着陆安全。

研究了月球探测器不设悬停阶段的精确软着陆运动中实时目标着陆点的自主选定方法.其过程包括着陆器运动补偿、数字高程图(DEM)的生成、障碍识别和最优安全着陆点搜索4个步骤.采用LIDAR敏感器,由经过运动补偿得到的斜距数据生成DEM,给出一种月面地形坡度和粗糙度的定义,根据安全着陆区的判据进行障碍识别,最后设计中心螺旋式搜索方法对探测器最优安全着陆点进行搜索选定.通过仿真验证了本文方法的有效性和优越性.

为了减少有限推力作用下月球探测器软着陆所需的燃料消耗,提出了应用非线性规划方法来求解该最优控制问题。首先,从庞德里亚金极大值原理出发,将有限推力作用下月球软着陆问题转化为数学上的两点边值问题;在考虑边界条件及横截条件的前提下,将该两点边值问题转化为针对共轭变量初值和末时刻的优化问题;然后应用非线性规划方法求解所形成的参数优化问题。为了降低共轭变量初值选取的敏感性,引入共轭变量与控制变量之间的变换,用控制变量初值代替了共轭变量初值。实验仿真结果显示,本文方法能够成功实现月面软着陆,并且比传统的打靶法减少了2.1%的燃料消耗,表明本文提出的设计方法简单、有效。

借助庞特里亚金最大值原理(Pontryagin′s Maximal Principle,PMP),将月球燃耗最优软着陆问题转化为终端时间自由型两点边值问题(Two Point Boundary Value Problem,TPBVP)。采用一种基于初值猜测技术的线性摄动法求解TPBVP,得到最优软着陆轨迹。仿真结果表明,初值猜测技术得出的伴随变量初值均落在线性摄动法的收敛区间内,收敛速度快,优化精度高。最后研究了不同制动推力大小对软着陆性能的影响,结论为:增大制动发动机推力,既可缩短软着陆的时间,又能减少软着陆的燃料消耗。

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。