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月球探测器月面软着陆姿态控制系统的研究

作　者: 雷静
导　师: 周凤岐
学　校: 西北工业大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 月球探测器 软着陆 姿态控制 推力器 飞轮
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 315次
引　用: 2次
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内容摘要


飞向月球、登陆月球成为新世纪人类航天的重要课题。姿态控制是月面软着陆的关键技术，而实现软着陆是人类进行月球探测活动的基本要求。本文在总结这一领域现状的基础上，按照控制系统自主性、鲁棒性、实时性的要求，从理论和工程两方面对软着陆姿态控制系统进行了较为系统和全面的研究。 本文结合我国的国情及其航天发展的现状，并根据国外月球软着陆的成功经验，进行了月面软着陆姿态控制系统总体方案的设计和研究。论文的主要研究工作如下： 1) 月球探测器软着陆姿控系统的精度水平很大程度上取决于姿态确定的精度。本文针对月面软着陆的特殊性，在近月段提出了“CCD相机+光纤陀螺”的定姿方案，仿真结果表明该方案简单有效。 2) 月球探测器软着陆飞行任务对姿态控制系统的精度有着很高的要求。本文重点研究了软着陆姿态控制系统。控制系统主要选用推力器作为执行机构，并对推力器在月球探测器上进行配置，详细分析了所配置推力器系统的操作和所有控制轴的组合，并验证了其布局的合理性。同时设计了三轴稳定模式下推力器的变结构控制律，并进行仿真验证。飞轮系统由于其控制精度高，寿命长，抗干扰性强等特点，满足月球探测器软着陆特定阶段姿态控制系统精度的要求，所以选用飞轮作为姿态控制系统的辅助执行机构。环月阶段飞轮采用跟踪控制律，仿真表明该控制方法可以快速实现姿态大角度机动并有效抑制空间环境对探测器姿态的扰动。 3) 根据软着陆不同阶段飞行任务的不同，分阶段提出了月球探测器的姿态控制方案。月球探测器在近月点下降全过程，控制系统主要采用推力器为执行机构。在垂直下降特定阶段采用“推力器+飞轮”联合控制方案，仿真证明了以上设计方案的准确性和可行性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章 前言  7-16
  1.1 月球探测及月面软着陆的重要性和意义  7-8
  1.2 国外月球探测情况  8
    1.2.1 月球探测是初期深空探测的重点  8
    1.2.2 21世纪是月球探测的第二次高潮  8
  1.3 我国开展月球探测的意义  8-10
  1.4 我国月球探测的规划和现况  10-11
    1.4.1 我国月球探测的规划  10
    1.4.2 我国月球探测的现况  10-11
  1.5 月面软着陆控制问题概述  11-12
    1.5.1 月面着陆方式  11
    1.5.2 软着陆姿态控制的要求  11-12
  1.6 姿态控制律的发展  12-15
    1.6.1 喷气控制的发展情况  12-13
    1.6.2 PID控制的发展情况  13-14
    1.6.3 变结构控制律  14-15
  1.7 论文的主要研究工作  15-16
第二章 月球探测器数学模型的建立  16-26
  2.1 参考坐标系的选择及坐标转换  16-17
    2.1.1 参考坐标系  16-17
    2.1.2 坐标转换  17
  2.2 探测器姿态描述  17-21
    2.2.1 欧拉角  18-19
    2.2.2 四元数  19-21
  2.3 探测器姿态运动学方程  21-23
    2.3.1 欧拉角运动学方程  22
    2.3.2 四元数运动学方程  22-23
  2.4 探测器姿态动力学方程  23-24
  2.5 干扰力矩模型  24-25
    2.5.1 重力梯度力矩  24-25
    2.5.2 太阳光压辐射力矩  25
  2.6 本章小结  25-26
第三章 近月面月球探测器姿态的确定  26-32
  3.1 姿态确定方法的提出  26
  3.2 测量原理  26-28
  3.3 姿态敏感器的选择  28-29
  3.4 CCD导航相机与光纤陀螺联合定姿方案  29-30
  3.5 仿真及其结果分析  30-31
  3.6 本章小结  31-32
第四章 软着陆姿态控制系统的研究  32-51
  4.1 月球探测器姿态控制方案的选择  32
  4.2 推力器姿态控制系统  32-44
    4.2.1 喷气姿态稳定原理  32-33
    4.2.2 推力器的特性描述  33
    4.2.3 月球探测器推力器系统的配置  33
    4.2.4 月球探测器推力器系统的分析  33-37
    4.2.5 推力器控制律的设计  37-41
    4.2.6 推力器仿真结果及其分析  41-44
  4.3 反作用飞轮控制系统  44-50
    4.3.1 动量控制原理  44-45
    4.3.2 飞轮控制系统的类型  45-46
    4.3.3 飞轮控制系统的设计  46-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章 软着陆控制系统的总体设计方案  51-59
  5.1 月球探测器软着陆飞行任务概述  51-53
    5.1.1 月球探测器软着陆轨道的分段  51
    5.1.2 近月点下降段的分段任务要求  51-52
    5.1.3 软着陆姿态控制系统的关键问题  52-53
  5.2 软着陆姿态控制系统的设计方案  53-58
    5.2.1 软着陆姿态控制系统的组成  53-54
    5.2.2 软着陆分阶段姿控方案  54-58
  5.3 本章小结  58-59
第六章 结束语  59-61
  6.1 本文的主要工作和结论  59
  6.2 下一步研究工作设想  59-61
参考文献  61-63
致谢  63-64
附录 人类自1959-1998年的月球探测活动  64-68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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