火星精確著陸軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)算法研究.pdf

1、在火星表面實現(xiàn)精確著陸是未來火星探測任務(wù)的必然趨勢和要求，探測器火星大氣層內(nèi)飛行階段的制導(dǎo)和控制水平直接決定了未來火星著陸任務(wù)的精度，甚至是任務(wù)的成敗。傳統(tǒng)的火星著陸大氣層內(nèi)飛行階段的制導(dǎo)控制方法不能滿足未來火星精確著陸的要求，因此，對火星大氣層內(nèi)飛行的著陸軌跡與制導(dǎo)算法進(jìn)行研究，發(fā)展下一代火星著陸的制導(dǎo)控制算法，是火星探測任務(wù)深入發(fā)展的必然要求。
　　本學(xué)位論文結(jié)合科技部973項目“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問題研究”和國家

2、自然科學(xué)基金項目“深空探測自主導(dǎo)航理論與方法研究”，針對影響火星著陸精度的誤差因素，對火星精確著陸軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)算法進(jìn)行了深入研究。論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，對火星著陸大氣進(jìn)入點(diǎn)著陸器狀態(tài)的設(shè)計問題進(jìn)行了研究。為了降低導(dǎo)航誤差不確定性對開傘點(diǎn)著陸器狀態(tài)的影響，本文引入靈敏度函數(shù)，給出了考慮導(dǎo)航誤差不確定性的大氣進(jìn)入點(diǎn)著陸器狀態(tài)的魯棒設(shè)計方法；然而，在利用該方法進(jìn)行設(shè)計時需要將著陸器在大氣進(jìn)入點(diǎn)處的狀態(tài)不確定性經(jīng)動力學(xué)系統(tǒng)

3、映射到開傘點(diǎn)處，這種映射關(guān)系的計算十分耗時，因此將一種基于譜分解方法的非線性不確定度分析方法應(yīng)用到火星著陸系統(tǒng)開傘點(diǎn)誤差分析當(dāng)中，并針對這種不確定度分析方法在積分時間過長時所表現(xiàn)出的誤差過大現(xiàn)象，給出了一種基底調(diào)整策略，提出了一種基于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)譜分解方法的火星著陸開傘點(diǎn)不確定度分析方法，提高了計算效率和計算精度。
　　其次，對火星大氣進(jìn)入段縱向制導(dǎo)算法進(jìn)行了研究。針對傳統(tǒng)基于加速度輪廓曲線的制導(dǎo)算法進(jìn)行了改進(jìn)，主要包括兩個方面：第

4、一，在分析著陸器在高海拔地區(qū)著陸時的著陸器狀態(tài)和控制量的特性的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的邊界阻力加速度-能量曲線設(shè)計方法，進(jìn)而使其滿足能夠在高海拔地區(qū)著陸的任務(wù)要求；第二，設(shè)計擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器對軌跡跟蹤系統(tǒng)中的不確定參數(shù)進(jìn)行估計和補(bǔ)償，提高了加速度-能量輪廓曲線跟蹤控制器的魯棒性和跟蹤精度。
　　接著，對火星大氣進(jìn)入段的三維空間制導(dǎo)算法進(jìn)行了研究。鑒于偽譜法在軌跡優(yōu)化問題應(yīng)用當(dāng)中的優(yōu)勢，本文采用Radau偽譜法生成三維空間的全狀態(tài)軌跡曲線

5、，并結(jié)合著陸軌跡的非線性強(qiáng)度和Radau多項式對著陸軌跡的擬合精度，給出分段區(qū)間與節(jié)點(diǎn)個數(shù)的動態(tài)調(diào)整策略，計算指標(biāo)函數(shù)和約束方程的雅克比矩陣，進(jìn)而提出了基于自適應(yīng)Radau偽譜法的三維空間全狀態(tài)著陸軌跡優(yōu)化方法。更進(jìn)一步地，以李導(dǎo)數(shù)為工具考察著陸器控制量和狀態(tài)之間的關(guān)系，利用預(yù)測控制理論設(shè)計了控制約束情況下的軌跡跟蹤算法。
　　最后，對火星著陸動力下降段的制導(dǎo)算法進(jìn)行了研究。對火星著陸器動力下降段的動力學(xué)方程進(jìn)行了分析，得到了適用