2014数学建模A题嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略分析

承诺书

我们仔细阅读了《全国大学生数学建模竞赛章程》和《全国大学生数学建模竞赛参赛规则》（以下简称为“竞赛章程和参赛规则”，可从全国大学生数学建模竞赛下载）。

我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括、电子、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。

我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛章程和参赛规则的，如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。

我们重承诺，严格遵守竞赛章程和参赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛章程和参赛规则的行为，我们将受到严肃处理。

我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等）。

我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： A

我们的报名参赛队号为（8位数字组成的编号）：13003024

所属学校（请填写完整的全名）：理工学院

参赛队员(打印并签名) ：1. 煌

2. 江泽鹏

3. 章芳敏

指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：王琛晖

（论文纸质版与电子版中的以上信息必须一致，只是电子版中无需签名。以上容请仔细核对，提交后将不再允许做任何修改。如填写错误，论文可能被取消评奖资格。）

日期： 2014 年 9 月 14日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：

编号专用页

赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：

全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：

嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略

摘要

嫦娥三号在高速飞行的情况下，要保证准确地在月球预定区域实现软着陆，关键问题是着陆轨道与控制策略的设计。由于月球上没有大气，嫦娥三号无法依靠降落伞着陆，只能靠变推力发动机，才能完成中途修正、近月制动、动力下降、悬停段等软着陆任务。本文在着陆轨道设计的基本要求下，建立最优控制模型满足了每个阶段嫦娥三号在关键点所处的状态，以尽量减少软着陆过程燃料消耗的原则，完成了对三个问题的分析探究。

针对问题1，本文将嫦娥三号作为质点，根据椭圆公式求出半焦距的长度，采用适用于一切二体问题的开普勒第三定律模型，计算出近月点和远月点相应的速度大小，近月点速度为1.69204 KM/S，远月点速度为1.61390 KM/S，之后再通过给出的着陆点的方向反推出嫦娥三号相应的方向。

针对问题2，本文研究了一种应用参数化控制求解月球探测器精确定点软着陆最优控制问题的方法。首先用约束变换技术将小等式约束进行了近似处理，而后利用若十个分段的常数去逼近最优解，再根据强化技术通过时间轴上的变换，将每一段参数的持续时间转变为一组新的参数，于是最优控制问题被转化为一系列参数优化问题。最后应用经典的参数优化方法即可求得最优控制函数的一个近似解，通过增加参数个数，重复优化得到逼近连续最优解的参数化解。同时在优化过程中考虑了制动初始点的选取对结果的影响。运用matlab软件绘制着陆轨道的曲线，结果表明了所提设计方法足简单、有效

的。得到最优初始点坐标为X

0=837．71 km，Y

=1423.9 km，Z

=586.26 km。

针对问题3，本文根据月球探测器向月飞行轨道动力学方程式得到了飞行轨道误差的迭代方程，采用协方差分析方法对轨道初始误差的误差源造成的轨道误差进行了分析，结合具体算例，给出了探测器初始轨道位置和速度误差引起的向月飞行轨道误差的时间历程和轨道终点误差。计算结果表明，在发射嫦娥三号卫星过程中，必须进行多次中途轨道修正。

关键词：定点软着陆，最优控制，参数化控制，轨道误差，协方差分析方法

1问题重述

嫦娥三号于2013年12月2日1时30分成功发射，12月6日抵达月球轨道。嫦娥三号在着陆准备轨道上的运行质量为2.4t，其安装在下部的主减速发动机能够产生1500N到7500N 的可调节推力，其比冲（即单位质量的推进剂产生的推力）为2940m/s，可以满足调整速度的控制要求。在四周安装有姿态调整发动机，在给定主减速发动机的推力方向后，能够自动通过多个发动机的脉冲组合实现各种姿态的调整控制。嫦娥三号的预定着陆点为19.51W，44.12N，海拔为-2641m（见附件1）。

嫦娥三号在高速飞行的情况下，要保证准确地在月球预定区域实现软着陆，关键问题是着陆轨道与控制策略的设计。其着陆轨道设计的基本要求：着陆准备轨道为近月点15km，远月点100km的椭圆形轨道；着陆轨道为从近月点至着陆点，其软着陆过程共分为6个阶段（见附件2），要求满足每个阶段在关键点所处的状态；尽量减少软着陆过程的燃料消耗。

根据上述的基本要求，请你们建立数学模型解决下面的问题：

问题一：确定着陆准备轨道近月点和远月点的位置，以及嫦娥三号相应速度的大小与方向。

问题二：确定嫦娥三号的着陆轨道和在6个阶段的最优控制策略。

问题三：对于你们设计的着陆轨道和控制策略做相应的误差分析和敏感性分析。

2模型假设

1. 忽略太阳、地球对嫦娥三号卫星的引力

2.将月球近视为一个质量均匀的标准球体

3. 将嫦娥三号视为一个质点

4.主减速忽略动作调整所产生的燃料消耗

5.制动发动机推力可变

6.图片所给数据真实可靠

3符号说明v………………………………………………………………………………近月点速度.

A v………………………………………………………………………………远月点速度.

B o……………………………………………………………………………惯性坐标系

.

xyz

O L L L………………………………………………………………………月固坐标系.

x y z

.F………………………………………………………………………………发动机推力

.m………………………………………………………………………………探测器质量

.C……………………………………………………………………………制动火箭的比冲r…………………………………………………………………………………月球半径.

f

.°G…………………………………………………………………………………约束函数