文档介绍：1嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略的优化摘要本文着重对嫦娥三号软着陆过程进行了建模与分析,并利用坐标系转化法导出了描述着陆轨道的方程。本文将软着陆过程分为了6个阶段,并利用十进制蚁群算法对着陆过程进行优化,阐述了针对减少燃料消耗而设计的控制策略。在避障阶段,本文新创建了一种扫描算法——分块覆盖扫描法,可以寻找出最接近目标着陆点的平坦区域。最后,本文对所建立的着陆轨道和控制策略进行了误差分析和敏感性分析,得出主减速发动机推力对着陆轨道的设计影响不大,而对燃料消耗影响较大。求出了就其如何安全软着陆以及着陆过程中的控制策略进行了探讨并建立了相应的数学模型。D嫦娥三号如何软着陆存在诸多问题,本文主要探讨在准备轨道如何切入着陆轨道,着陆轨迹的确定以及描述,着陆轨道中对嫦娥三号的优化控制策略,以及在无人控制的自主导航情况下的避障分析。本文针对上述问题收集了如下数据:嫦娥三号总行程,月球转轴偏角,月球赤道偏角,并进行了统计与分析。通过月球软着陆飞行动力学与制导控制建模以及蒙特卡罗打靶分析误差的方法,在matlab程序辅助下,通过程序建立了相应的模型,并在灵敏度分析上引用了,以此给出了本问题的方案。2关键词:轨道设计十进制蚁群算法分块覆盖扫描法坐标系转换控制优化MATLAB0引言一、问题重述及分析嫦娥三号探月作为人类史上又一次伟大探月项目,其如何实现软着陆以及能否成功成为外界关注焦点。本文也对其如何顺利降落并成功实现软着陆做了相应的探讨。利用月球软着陆飞行动力学与制导控制理论为轨道建模,而在评价模型稳定性以及误差范围过程中,采用基于均值估计相对误差的模拟终止准则,在保证精度的前提下提高了蒙特卡罗模拟效率。以及在matlab程序辅助下,建立出了相应的模型,并给出了制导误差分析以及解释。二、模型假设及符号说明31、模型假设:(1)假设嫦娥三号在登月过程中只受月球的非球形引力摄动以及地球和太阳的引力摄动;(2)假设嫦娥三号软着陆轨道与环月停泊轨道在同一平面;(3)忽略月球自转的影响;(4)嫦娥三号着陆的成功与否只取决于其着陆面的平坦程度;(5)不会与其他天体发生碰撞。2、符号说明:(1)下标表示终端条件(2)下标b表示制动段(3)r为着陆器矢径(4)为着陆器的赤经;(5)表示当前时间的水平推力加速度。(6)表示当前时间的法向加速度(7)软着陆初始下降点的经度(8)软着陆初始下降点的纬度(9)为环月停泊轨道的轨道倾角,软着陆下降轨道于环月轨道平面内(10)δ为着陆点赤经,题目已给定(11)?为环月停泊轨道的升交点赤经4(12)β为着陆器经过的月心角(13)表示着陆器的终端速度(14)表示着陆器的初始速度(15)G为万有引力常量(16)M为月球质量(17)为消耗燃料阶段以后的总质量(18)R为月球半径(19)H为着陆器距月心的距离(20)为推力与速度方向的所夹锐角三、模型建立与求解软着陆阶段可分为轨道转移和软着陆下降。而轨道转移主要包括离轨段和霍曼转移段,我们将软着陆下降阶段概括为制动段、接近段和着陆段,三个阶段。如图1所示:图1图2由于着陆器在做抛物线运动的过程中,着陆器会经过很长的月面水平距离,则将月球视为平面建立模型会带来较大的偏差,而若考虑月球扁率则会加大计算难度,在误差可控范围内,我们选择忽略扁率,即将月球视5为球体来建立均匀球体下的三维模型,并且此过程推进系统采用恒定合力方式,通过姿态控制来完成变向运动。(1)理想三维均匀球体动力学模型的建立定义参考惯性坐标系O,O为原点(月心),轴由原点指向初始着陆点,轴于环月轨道面内指向前进方向,需要声明的是,该坐标系仅用于软着陆下降轨迹和制导律设计中;下降轨道参考系中,O以着陆器质心为原点,由月心指向O点,设为正,轴位于月球当地水平面内指向着陆器前方;着陆器体坐标系o,原点o位于着陆器质心,轴在制动推力矢量延长线上,沿推力方向为正,轴分别根据着陆器上仪器设备的安装而定,并与bx轴构成直角坐标系。坐标系示意图,着陆器(着陆器)位置与推力矢量关系如下图3;图3图4分别用U,V,W表示着陆器下降速度在坐标系三轴上的分量,于是有,,(1)若不考虑摄动影响且忽略月球自转,同时引入质量方程,可利用球坐标系与直角坐标系的关系最终得到下降轨道参考坐标系下的软着陆动力学模型:(2)6(2)式表示的制动段动力学模型也是软着陆全过程的动力学仿真模型.(2)月心惯性系下软着陆动力学模型为了同环月运动的参考系一致,需要将着陆器的运动表示在月心赤道惯性坐标系下。首先给出月心赤道惯性系OXYZ的定义:原点O位于月球中心,XY平面在月球赤道平面内,其中X轴指向春分点在月球赤道上的投影(即月球的0度经线),Z轴指向月球北极,Y轴与X轴和Z轴构成直角坐标系。要考察着陆器在月心赤道惯性坐标系下的运动规律,需要得到月心赤道惯性系与月心惯性参