2014數(shù)模國賽論文-月球探測器登月著陸軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、1月球探測器登月著陸軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)月球探測器登月著陸軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：為研究月球著陸器從著陸準(zhǔn)備軌道向月面軟著陸的最優(yōu)控制問題，在考慮月球自轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上，以減小燃耗和安全避障為指標(biāo)，綜合考慮天體對(duì)著陸器引力、月球自轉(zhuǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力等因素對(duì)著陸器繞月飛行的影響，將著陸器的登月過程分解為準(zhǔn)備軌道、減速下降、姿態(tài)調(diào)整、避障著陸等幾個(gè)階段，對(duì)不同階段的軌道定位、動(dòng)力控制和著陸安全性問題進(jìn)行了建模分析和計(jì)算優(yōu)化。針對(duì)第一問，運(yùn)用開普勒第三定律和萬有引力定

2、律等動(dòng)力學(xué)模型對(duì)著陸器繞月軌道的速度、姿態(tài)及落點(diǎn)等進(jìn)行高精度定量分析，得到結(jié)果如下：速度v近=1.692103，，方向?yàn)樵擖c(diǎn)所在的橢圓軌道切線方向。近月點(diǎn)坐標(biāo)為msv遠(yuǎn)=1.614103ms（1752km）。，遠(yuǎn)月點(diǎn)坐標(biāo)為（100km）。199.51。44.12。(18.47?2.08k)。?44.12。針對(duì)第二個(gè)問題提出的軌道的最優(yōu)控制問題，本文針對(duì)著陸器著陸過程中的下落過程利用動(dòng)力學(xué)微分方程、霍曼變軌和軌道優(yōu)化理論進(jìn)行了建模，利用龍

3、格庫塔四階方法求出不同控制策略下著陸器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值解，利用模擬退火算法對(duì)著陸器的控制策略和燃料消耗進(jìn)行了優(yōu)化，得出了優(yōu)化后的控制軌道和相應(yīng)的動(dòng)力控制策略；針對(duì)避障掃描過程利用梯度分析和搜索算法，針對(duì)著陸過程中的安全性和著陸時(shí)間提出了著陸方案。最后，本文針對(duì)計(jì)算過程中可能引入的誤差和太陽、地球等其他天體、月球自轉(zhuǎn)可能引起的誤差進(jìn)行了分析，考察論證了計(jì)算結(jié)果的精度。同時(shí)對(duì)于實(shí)際著陸器運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的參數(shù)變化進(jìn)行了敏感性分析，主要考慮推力F

4、變化帶來的影響，對(duì)控制方案的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：軌道優(yōu)化軌道優(yōu)化模擬退火模擬退火常微分方程常微分方程龍格龍格庫塔算法庫塔算法自主安全避障自主安全避障3對(duì)于第二問，要實(shí)現(xiàn)軟著陸的最優(yōu)控制，確定嫦娥三號(hào)的著陸軌道，需要從節(jié)省燃料和確保安全著陸兩個(gè)方面考慮，其中前三個(gè)階段主要考慮節(jié)省燃料的問題，第四階段粗避障階段綜合考慮安全和節(jié)能兩個(gè)方面，第五、第六階段以安全著陸為重點(diǎn)，兼顧節(jié)約能源。根據(jù)以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，本論文給出著陸器在各個(gè)階段不同的飛

5、行設(shè)計(jì)方案如下：1）對(duì)于著陸準(zhǔn)備階段，主發(fā)動(dòng)機(jī)在遠(yuǎn)月點(diǎn)施加沖量進(jìn)行霍曼變軌，只進(jìn)行一次引擎推進(jìn)減速，最大程度利用天體間引力為著陸器提供飛行動(dòng)力，使著陸器從遠(yuǎn)月點(diǎn)高度沿橢圓軌道降低到近月點(diǎn)高度，以節(jié)省燃料。2）對(duì)于主減速階段，主發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作較長時(shí)間，燃料消耗巨大。故應(yīng)當(dāng)基于動(dòng)力學(xué)方程建立飛行器的最優(yōu)軌道控制模型來盡量減小燃料消耗?？紤]到問題的求解較難，本文采取模擬退火算法求得最優(yōu)解。3）對(duì)于快速調(diào)整階段，為了銜接主減速段和后續(xù)粗避障段，

6、著陸器的姿態(tài)發(fā)生較大變化。為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火等因素，必須令發(fā)動(dòng)機(jī)推力平緩變化。同時(shí)基于快速以及節(jié)約燃料等因素加以綜合考慮。4）對(duì)于粗避障階段，其主要目的是在較大著陸范圍內(nèi)剔除明顯危及著陸安全的大尺度障礙，為精避障提供較好的安全點(diǎn)選擇區(qū)域，避免出現(xiàn)近距離精避障避無可避的風(fēng)險(xiǎn)，整體提高系統(tǒng)安全著陸概率。本文擬運(yùn)用梯度分析的方法找到安全著陸區(qū)域，基于確保著陸器成像因素，實(shí)際采用下降軌道接近與水平面夾角約45的直線下降方式逐步靠近著陸區(qū)。一旦接