小行星软着陆动力下降段制导与控制方法研究

作     者：李晓宇 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马广富

授予年度：2015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：小行星 软着陆 动力下降段 球谐系数 制导与控制 

摘      要：小行星探测活动已经成为当今深空探测领域的热点,方兴未艾。探测形式也从早前的掠飞、环绕、撞击发展到现在的着陆以及采样返回,其中着陆探测甚至采样返回是获取科学研究数据的最理想途径。但因小行星质量轻、自旋、形状不规则及弱重力场等特殊的性质,为实现着陆目标,就要求着陆制导律具有较强的鲁棒性、自主性和较高的着陆精度。本文以小行星定点软着陆任务为背景,将在小行星重力场球谐系数问题研究的基础上,对小行星着陆探测器动力下降段的制导律进行研究和设计。首先,对小行星动力下降段轨道约束进行分析,并在小行星固连坐标系下建立动力下降段三维轨道动力学方程。为了实现不规则形状小行星重力场建模,深入研究了多面体模型法和球谐函数法两种建模方法。其次,深入研究小行星重力场球谐系数的计算和优化问题。为得到高精度的全球球谐系数,即传统意义上的球谐系数,对小行星多面体模型的划分形式、面数的选择、检验点选取方式进行讨论和分析。为建立小行星局部重力场模型,提出局部球谐系数概念,即在该局部空域内集中选取检验点计算得到的球谐系数,并构建一个新的性能指标对其有效性进行评估。然后,针对小行星着陆探测器动力下降段进行显式制导律设计。为实现着陆探测器安全准确地定点着陆,并考虑小行星动力学环境的不确定性和外界干扰,基于滑模变结构思想设计两种自主的、鲁棒的制导与控制方案:为实现定时着陆目标,对控制系统实现降阶处理,简化控制问题,设计多滑模制导律;为充分发挥执行机构的控制能力,实现快速着陆目标,保证滑模变量平滑变化,设计高阶滑模制导律。最后,针对小行星着陆探测器动力下降段进行标称轨道制导律设计。在规划了多项式形式的标称轨道的基础上,为保证着陆探测器快速跟踪上标称轨道的同时具有一定的抗干扰能力,含有尽可能少的制导律可调参数,本文设计一种解析表达且计算量小的非线性广义预测制导律。