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嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略


嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略
摘要: 进入 21 世纪以来,月球探测研究不断深入,尤其是 2009 年美国利用 LCROSS 撞击月球,得出了月球上存在水的结论,对未来开展无人探测,载人登月乃至建 立月球基地都具有深远的影响, 中国进行的嫦娥探月计划对于深刻探测的发展至 关重要。 随着中国嫦娥计划的有效实施,开展月球软着陆探测活动成为进一步研究 的重点。 通常, 软着陆任务轨道可分为月球转移段, 环月飞行段及动力下降段 (即 软着陆过程) 。在对月球登陆问题中,环月飞行阶段中远月点,近月点的确立, 在该点的方向和飞行轨迹的确立以及动力下降阶段的实施计划尤为重要 [1] 。
1 GMm 1 GMm 2 mV A ? ? m VB ? RA 2 RB 求 针对问题一:我们先根据开普勒第三定律 2

得近月点速度大小为 VA ? 1.692km / s ,远月点速度大小为 VB ? 1.614km / s ;查找 文献资料,并通过微积分计算得到近月点位置为(19.51W,67.55N) ,远月点位置 为(160.49W,22.45S) 。由于月球处于白天还是黑夜的问题等各种不确定因素, 无法得到近月点、远月点速度的具体方向,只能得出近月点、远月点的速度的方 向在确定的轨道内。 针对问题二:综合各个阶段卫星运行的特征,将着陆的六个阶段归纳为三 个过程。过程一包括准备着陆阶段和主减速阶段;过程二为快速调整阶段;过程 三包括粗避障碍阶段和精避障碍阶段。对于过程一,将卫星的减速运动视为类平 抛运动,以此来建立物理模型,得出着陆轨迹为
s1 ?
2 g (h1 ? h2 ? v0 ? v12 ) g cos? ,主减速

发动机施加的推力为 Fz1 ? 1776N ,消耗的燃料质量为 m1 ? 271.84kg 。对于过程 二, 将卫星的加速度分解为切向和法向加速度, 根据水平方向速度达到 0 的要求,
s2 ? ? gh2 ? gh3 ? v1 1 2 2 g t 2 ? T2

得到着陆路径和主减速发动机施加的推力分别为



Fz 2 ? 6840N ,并求得燃料消耗的质量为 m 2 ? 46.43kg 。对于过程三,简单的将

.58N 和 其视为竖直下降运动,得到推力以及燃料的消耗质量分别为 F 3? 4419
m 3 ? 353.27kg 。通过对三个过程的研究计算得出嫦娥三号软着陆的最优控制策

略下消耗的总燃料质量为 m总 ? 671.52kg 。 针对问题三:在设计着陆轨道时,先假设一个确定的固定不变的 ? , ? 即重 力与其法线方向分量的夹角, 再进行一系列的求解分析。但现实中角度是随时变 化的,因此对第一阶段进行了误差分析。第三阶段嫦娥三号躲避障碍,假设嫦娥

三号是竖直下降,然而竖直下降过程有可能会出现落入坑中的情况,对此也进行 了相应的误差分析。进行敏感性分析时,假设模型为 y ? f ( x1 , x2 ,.....,xn ) ,敏感 性系数越大,说明该属性对模型输出的影响越大。

关键词:嫦娥三号 软着陆 制策略

matlab 类平抛运动 误差分析 敏感性分析 最优控


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