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月球探测器自主导航与控制方法研究

孙军伟  
【摘要】: 自主导航与控制是月球探测器的关键技术之一。本文结合月球探测工程二三期预研项目“月球软着陆综合仿真演示验证技术”,对月球探测器的自主导航与控制方法进行了较深入的研究。论文的主要研究内容包括: 针对奔月轨道段任务,给出了基于地月信息的自主光学导航方法。在奔选取地心和月心像素作为观测量,建立了符合实际情况的量测噪声模型和自主导航系统的观测方程,并利用基于UD分解的递推加权最小二乘算法估计了奔月探测器的轨道参数。针对绕月轨道段任务,提出了基于高斯-马尔科夫过程和Unscented卡尔曼滤波的自主轨道确定方法。利用高斯-马尔科夫过程近似绕月探测器的无模型加速度,并利用基于Unscented卡尔曼滤波估计了探测器的位置、速度及无模型加速度。数学仿真结果表明,提出的导航方法是可行的,能够满足月球探测器奔月与绕月轨道段导航精度的要求。 针对着陆轨道段任务,给出了一种基于特征点跟踪的自主导航方法。首先利用特征点的图像坐标和探测器到三个特征点的距离信息构建了着陆点坐标系,确定了探测器相对着陆点坐标系的位置和姿态。接着给出了基于扩展卡尔曼滤波的自主导航算法,有效地估计了探测器的状态,抑制了测量噪声,并通过特征点跟踪与继承,解决了导航过程中特征点可能逸出相机视场的问题。最后通过数学仿真验证了提出方法的有效性。 针对动力下降段任务,给出了基于多项式规划和二次序列规划的月球软着陆制导方法。首先利用三次多项式规划垂直方向上的最优着陆轨迹,并基于加速度矢量之间的几何关系,给出了制导控制量-推力方向角的显式表达式,从而得到了基于多项式规划的月球软着陆闭环制导律,避免了求解两点边值问题的困难。接着通过将常推力软着陆轨迹离散化,利用离散点处状态连续作为约束条件,把常推力的软着陆轨迹优化问题转化为一个非线性规划问题,并利用SQP方法进行了求解,从而得到了基于二次序列规划的月球软着陆制导律。 针对垂直下降段任务,提出了一种基于T-S模型的月球软着陆模糊控制方法。在建立一类非线性系统的T-S模型的基础上,考虑所建立的T-S模型与原系统的误差,设计了月球软着陆的重力转弯模糊跟踪控制器。并针对系统所受的外加干扰及参数不确定性,将模型跟踪设计方法与干扰解耦和鲁棒


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