新型火星EDL导航、制导与控制技术研究

作     者：彭玉明 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李爽

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：火星探测 进入、下降与着陆 组合导航 模型参考自适应控制 神经网络滑模变结构控制 

摘      要：当前的火星任务沿用了海盗号任务期间发展起来的第一代火星EDL导航、制导控制方式,即采用基于航位递推的导航方式和无升力控制的弹道再入方式,导致落点误差椭圆的半径在数百公里的量级,无法满足未来的火星取样返回和载人登陆等任务对着陆精度的需求。因此,有必要发展新一代火星EDL导航、制导控制技术,以期实现火星精确着陆。 本文以火星精确着陆探测任务为背景,从高精度EDL导航、轨迹优化和制导控制三个方面出发对下一代火星EDL导航、制导控制技术进行了深入研究,主要研究内容包括: 首先,为了分析探测器在整个飞行过程中的动态特性,通过合理的假设与近似,分别建立了火星进入段、下降段和着陆段的动力学模型,为后面的导航、制导与控制系统的设计提供必要的数学模型。 其次,针对传统的基于IMU的航位推算导航精度不高、误差随时间积累这一问题,本文发展了火星EDL外部测量敏感器/IMU组合导航方法。进入段采用轨道器和陆地信标与探测器进行无线电测量与通信的方式来修正惯性导航的误差,仿真结果表明组合导航的精度较航务递推有显著提高,且基本不受无线电测量中断的影响。下降段采用微型高度速度计与IMU进行组合导航方式,虽然水平位置状态不可观,但仍然克服了惯性导航误差发散的缺点。着陆段对导航精度的要求更高,所以在下降段导航敏感器配备的基础上增加导航相机用于估计水平运动情况。 然后,对进入段和着陆段的标称轨迹进行了预先规划。本文在轨迹优化过程充分考虑了火星探测器的控制能力有限这一问题,比较好地解决了当真实轨迹与标称轨迹相差太大时可能会出现因控制饱和而无法跟踪标称轨迹的情况。同时,在标称轨迹优化性能指标中加入了不确定性因素对状态灵敏度项,在几乎不改变原来最优性能指标的同时有效的减小了大气密度、探测器状态等不确定因素对终端状态的影响,从而提高了控制精度。 最后,为了有效克服不确定性参数对制导控制系统的不利影响,根据基于CGT的直接自适应控制理论设计了火星进入自适应制导控制律;针对进入段动力学模型存在未建模动态的问题设计了滑模变结构控制器,并利用神经网络良好的非线性逼近能力在线估计系统不确定项,使制导控制系统具有较强的鲁棒性。