嫦娥三号软着陆轨道设计和控制策略

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网站下载）。

我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、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。

我们郑重承诺，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

我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：08003020

所属学校（请填写完整的全名）：东北石油大学

参赛队员(打印并签名) ：1.

2.

3.

指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：

（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。以上内容请仔细核对，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 12 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和控制策略

摘要

嫦娥三号着陆器实现了我国首次地外天体软着陆任务，着陆器的制导、导航与控制系统是最重要的分系统之一。为了保证着陆的高安全性，对动力下降过程中的制导、导航、避障和姿态控制都提出了很高的要求，因此需要对软着陆轨道进行精确的计算。

针对问题一，本文建立了天体卫星环绕模型，嫦娥三号绕月飞行轨道为椭圆，利用模型公式22GMd u r

=进行近月点及远月点的速度大小计算，得到近月点速度大小为1.705km/s ，远月点速度大小为1.626km/s 。利用经纬度计算公式 以及着陆点经纬度推算出近月点经纬度为 19.11W , 28.37N ，远月点经纬度为 160.89E , 28.37S 。同时根据近月点和远月点的经纬度和海拔高度利用椭圆方程 22133218884.9763219870.988 1.036410x y +=⨯ ，用matlab 进行编程求解出：

近月点处速度的方向：偏离月球0°经线所在面61.6°斜向上飞行 远月点处速度的方向：偏离月球0°经线所在面61.6°斜向下飞行

针对问题二，本文基于燃料消耗最少原则建立了非线性规划模型，求解最优

控制策略问题。为使性能指标函数()00f

t f t J mdt m m t =-=-⎰&达到最小，本文通过查阅文献，构造哈密顿函数 T (,,)=f x,)H x u u λλ（ ，根据庞特利亚金极大值原理，将原有复杂的规划问题转化为数学上对两点边值问题的求解，得到每个阶段最优控制策略为：

主减速段,发动机全程以最大推进力工作，发动机动力主要以抵消水平方向的速度（1.705km/s ），该过程初速度1705m/s,末速度为57m/s,用时489s,消耗燃料1136.8kg 。快速调整段，调姿发动机快速调整着陆器的姿态和推力,初速度57m/s,末速度16m/s ,用时25s,消耗燃料52.59kg 。粗避障段，此阶段需要保证光学成像敏感器能够对着陆区成像并完成粗避障，初步确定着陆点，初速度16m/s,末速度0m/s,用时145s,消耗燃料72.15kg 。本文用MATLAB 对附件3和附件4进行读取，得到陆区图像。精避障段，悬停段的主要目的是利用三维成像敏感器对着陆区域进行精障碍检测, 给出着陆点位置信息，在目标上方悬停30s 后，缓慢降落，到距离月面30m 时，速度为1.53m/s,此过程共耗时65s ，消耗燃料19.93kg 。 缓速下降阶段，初速度为1.53m/s,末速度为0m/s,即到达距离着陆地点4m 时的速度。最终，在距离月面4米处自由落体，用时2.213s,到达着陆点的速度3.61m/s.全过程用时746.5s ，嫦娥三号探测器总质量2.4t ，消耗燃料1293.35kg ，占总质量的53.91%。

针对问题三，本文对各个阶段都进行仔细的误差分析和敏感性分析，分析了每一阶段中可能产生误差的各个因素以及对轨道影响最敏感的因素。通过对影响因素的深入计算，得出如何去减少误差，做到对轨道更精确的控制。

关键字: 天体卫星环绕模型 非线性规划 哈密顿函数 最优化

一、问题重述

随着科技的发展，我国航天事业也有了长足的发展和全新的突破,尤其是神舟五号飞船的成功发射，标志着我国航天史上一座新的里程碑诞生，是我国人民攀登世界科技高峰的又一个伟大壮举，它表明我国在航天技术方面已经走在了世界前列。

2013年12月2日1时30分嫦娥三号的成功发射又实现了在我国航天史上新的突破，此次对月球的造访历时四天，于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内实现软着陆，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，请建立数学模型解决下面的问题：

（1）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。

（2）确定嫦娥三号的着陆轨道和在6个阶段的最优控制策略。

（3）对于已设计好的着陆轨道和控制策略做相应的误差分析和敏感性分析。

二、问题假设

1.假设可忽略月球自转的影响

2.假设附件中所有先关数据真实可靠

3.假设控制发动机系统的反应时间可以忽略不计

4.假设嫦娥三号在进行环月轨道时地球对其吸引力可以忽略不计

三、符号说明

3.1

3.1.1

t: 做抛体运动的时间

g: 月球的重力加速度