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火星EDL轨迹优化和进入制导研究

作　者: 周美江
导　师: 杨旭
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 火星科学实验室 高斯伪谱法 EDL轨迹优化 航路点预测校正制导
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


火星探测对人类深空探测意义重大，当前世界各航天大国都积极开展火星探测任务，目的都是为实现载人登陆火星做准备。火星EDL过程是整个火星探测任务中非常重要的一个环节，它决定着登陆器能否实现安全定点软着陆。“凤凰号”之前的火星登陆器均采用弹道式进入，导致落点精度误差达百公里量级，而未来的载人火星登陆要求着陆精度在100m范围内。进入段对升力进行制导控制，可降低开伞点误差，从而提高落点精度；再者着陆段携带燃料的多少决定能否安全着陆，对着陆段进行基于燃料最省的轨迹优化，对整个飞行过程具有重要意义。本文以“火星科学实验室”为模型，对进入段和着陆段利用高斯伪谱法进行了轨迹优化，然后对进入段进行航路点预测校正制导，实现对最优参考轨迹的跟踪。本文具体研究内容如下：首先建立了火星大气环境模型，飞行器结构模型；然后推导了进入段和着陆段动力学模型；最后对高斯伪谱法的基本原理进行了介绍，为后面的轨迹优化和进入制导研究提供了比较精确的数学模型。其次利用高斯伪谱法对进入段以倾斜角为控制变量，末端高度最高为性能指标，在满足初始终端状态约束，控制约束，动压约束和驻点热流密度约束的条件下，进行轨迹优化设计，求解了最高开伞高度。然后以优化得到的轨迹为最优参考轨迹，采用航路点预测校正实现对进入最优参考轨迹的跟踪。设定初始状态误差扰动，分析航路点预测校正制导在提高落点精度和缩短预测时间等方面的良好性能。最后还利用高斯伪谱法对着陆段以发动机的推力比和推力角为控制变量，燃料最省为性能指标，在满足初始终端状态约束，控制约束的条件下，进行轨迹优化设计，求解了最少燃料携带量。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪论  8-21
  1.1 课题研究的目的与意义  8-11
  1.2 国内外研究现状与发展动态  11-19
    1.2.1 火星 EDL 阶段综述  11-13
    1.2.2 轨道优化方法综述  13-16
    1.2.3 航天器进入制导方法综述  16-19
  1.3 本文主要研究工作与章节安排  19-21
第二章 火星 EDL 阶段动力学建模  21-40
  2.1 引言  21
  2.2 火星 EDL 坐标系及其转化关系  21-26
  2.3 火星动力学环境模型  26-28
    2.3.1 火星引力模型  26-27
    2.3.2 火星大气模型  27-28
  2.4 火星探测器结构模型  28-30
    2.4.1 飞行器结构模型  28-29
    2.4.2 飞行器气动参数模型  29-30
    2.4.3 降落伞模型  30
  2.5 火星 EDL 段动力学模型  30-37
    2.5.1 进入段动力学建模  30-35
    2.5.2 着陆段动力学建模  35-37
  2.6 高斯伪谱法原理  37-39
  2.7 本章小结  39-40
第三章 火星 EDL 轨迹优化  40-48
  3.1 引言  40
  3.2 仿真模型  40-43
    3.2.1 仿真动力学模型  40-41
    3.2.2 优化指标函数  41
    3.2.3 控制变量定义  41-42
    3.2.4 约束条件  42-43
  3.3 仿真分析  43-47
    3.3.1 仿真参数设置  43
    3.3.2 仿真结果分析  43-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章 火星进入制导问题研究  48-65
  4.1 引言  48
  4.2 标称轨迹制导法  48-49
  4.3 预测校正制导法  49
  4.4 航路点预测校正制导法  49-64
    4.4.1 航路点预测校正制导的基本原理  49-51
    4.4.2 仿真结果与分析  51-64
  4.5 本章小结  64-65
第五章 火星着陆段轨迹优化  65-70
  5.1 引言  65
  5.2 仿真模型  65-67
    5.2.1 仿真动力学模型  65-66
    5.2.2 优化指标函数  66
    5.2.3 控制变量定义  66
    5.2.4 约束条件  66-67
  5.3 仿真分析  67-69
    5.3.1 仿真参数设置  67
    5.3.2 仿真结果分析  67-69
  5.4 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-75
致谢  75

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制
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