火星大气进入轨迹制导与姿态控制方法研究

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1、中图分类号：V448.2UDC分类号：629.7火星大气进入轨迹制导与姿态控制方法研究作者姓名陈禹洪学院名称宇航学院指导教师崔平远教授答辩委员会主席唐胜景教授申请学位工学硕士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年06月火星大气进入轨迹制导与姿态控制方法研究陈禹洪2015年06月GuidanceandAttitudeControlMethodfortheMarsAtmosphericEntryCandidateName：YuhongChenSchoolorDepartment:SchoolofAerosp

2、aceEngineeringFacultyMentor:Prof.PingyuanCuiChair,ThesisCommittee：Prof.ShengjingTangDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：AeronauticandAstronauticScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获

3、得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要未来的火星探测任务，要求探测器具有在特定区域精确着陆的能力。大气进入段是火星着陆过程环境最恶劣的阶段，探测器的制导与控制不仅直接影响开伞点的精度，对探测器的最终着陆精度乃至任务的成败也将产生重要影响。本论文以火星精确着陆探测任务为

4、背景，针对火星大气进入段的探测器制导与姿态控制问题，研究了大气进入段轨迹优化方法以及制导与姿态控制方法，并进行了数值仿真与分析。首先，对火星的动力学环境参数进行了分析；给出了火星大气进入段相关坐标系及转换关系，进而推导并建立了火星大气进入段的轨道动力学和姿态动力学模型，为进入段轨迹优化与制导控制方法研究提供基础。其次，考虑进入段轨道动力学模型，给出了火星大气进入段受到的各类约束，并通过约束规范化改进Gauss伪谱法，对火星进入段轨迹进行优化设计。以倾侧角为控制量，求解满足各约束条件的最优参考轨迹，然后，采用阿波罗式的ETPC摄动制导律，

5、对优化的轨迹进行了跟踪控制仿真，并对仿真结果进行了分析。然后，针对采用质心偏置的方式来获得有限升力的低升阻比火星探测着陆器，考虑火星进入大气环境的复杂多变性，采用能量作为变量，以减小开伞点误差和增加开伞高度为目标，研究了一种基于参数修正PID反馈-自适应增益的预测跟踪火星大气进入制导律，分别对该方法的预测、纵向和横向制导律进行了设计，并通过数值仿真验证了方法的有效性。最后，针对火星大气进入段姿态控制问题，给出了姿态控制相平面姿态分析方法。研究并给出了基于相平面分析的俯仰/偏航通道PD/D稳定控制律和滚转通道时间-燃料最优机动控制律，仿真

6、分析验证了方法的有效性。关键词：火星；大气进入；制导；预测跟踪；姿态控制I北京理工大学硕士学位论文AbstractForfuturemissionstoMars,itrequiresdetectortohavetheabilitytoaccuratelylandinaparticulararea.EnvironmentofatmosphericentryphaseistheworstduringtheMarslanding.Guidanceandcontrolofthedetectornotonlydirectlyaffecttheac

7、curacyofparachutepoint,butalsohaveanimportantimpactonthefinallandingaccuracyandevenresolvethefailureofthemisson.Thispaper,onthebackgroundofhighprecisionlandingmissiononMars,aimsatguidanceandattitudecontrolproblemsofthedetector,studiesthetrajectoryoptimizationandguidancea

8、ndattitudecontrolmethod,intheatmosphericentryphase.Numericalsimulationsandanalysisalsohavebeencarriedou