嫦娥三号软着陆关键技术
《2024年嫦娥三号自主避障软着陆控制技术》范文
《嫦娥三号自主避障软着陆控制技术》篇一一、引言随着人类对太空探索的深入，月球探测任务逐渐成为航天领域的重要一环。
嫦娥三号作为我国探月工程的重要一环，其自主避障软着陆控制技术是确保任务成功的关键技术之一。
本文将详细探讨嫦娥三号在自主避障软着陆控制技术方面的应用及所取得的成果。
二、嫦娥三号任务背景及意义嫦娥三号是我国探月工程的重要一步，其任务目标是实现月球表面的软着陆，并开展相关科学实验。
在这一过程中，自主避障软着陆控制技术起到了至关重要的作用。
此技术的成功应用，不仅为我国探月工程积累了宝贵经验，同时也为后续的深空探测提供了重要的技术支撑。
三、自主避障软着陆控制技术的核心原理嫦娥三号的自主避障软着陆控制技术主要基于先进的导航系统和精确的飞行控制算法。
导航系统通过获取月球表面的地形数据，为飞行器提供实时的环境信息。
飞行控制算法则根据这些信息，实时计算并调整飞行器的轨迹，确保其在着陆过程中能够避开障碍物，实现精确的软着陆。
四、技术实现过程及关键环节1. 障碍物探测与地形建模：嫦娥三号搭载的高精度雷达和光学设备，能够实时探测月球表面的地形信息，并建立精确的地形模型。
这一环节为后续的避障和软着陆提供了重要的数据支持。
2. 飞行轨迹规划与调整：基于探测到的地形信息和飞行控制算法，嫦娥三号能够实时规划出最佳的飞行轨迹。
在飞行过程中，根据实际情况，不断调整轨迹，确保能够避开障碍物并实现软着陆。
3. 软着陆控制策略：在接近月球表面时，嫦娥三号需采用精确的软着陆控制策略。
这一策略包括减速、稳定、着陆等多个环节，确保飞行器在着陆过程中能够保持稳定，并实现精确的着陆点。
五、技术成果及应用价值嫦娥三号的自主避障软着陆控制技术取得了显著的成果。
首先，此技术成功实现了嫦娥三号在月球表面的软着陆，为我国探月工程积累了宝贵的经验。
其次，此技术的应用提高了探月任务的成功率，降低了任务风险。
最后，此技术为后续的深空探测提供了重要的技术支撑，推动了我国航天事业的发展。
嫦娥三号自主避障软着陆控制技术_张洪华
关键词 嫦娥三号 软着陆 障碍识别 自主避障
1
引言
已有的月球图像和高程数据表明 , 月球表面分
布着各种高山壑谷 , 即使在相对平坦的月海地区也 遍布着大小不一的岩石和陨石坑. 这种地形、地貌以 及石块和陨石坑会给着陆器安全软着陆带来较大风 险 . 只有着陆器具有发现和识别障碍并进行机动避 障的能力, 才能保证软着陆的高安全和高可靠. 对于早期的月球着陆探测任务 , 限于当时技术 水平, Lunar 系列和勘察者系列月球探测器都不具备 识别障碍和避障能力, 导致着陆成功率非常低; Apollo 系列则是通过宇航员观测着陆区并操纵人控 系统实现了避障和安全着陆[1]. 早期的火星着陆探测 器都采用气囊方式着陆 , 躲开了障碍识别与规避问 题 ; 2008 年 , 凤凰号探测器成功实现了火星软着陆 , 其采用了事先筛选高概率安全着陆区来避免大障碍
图4 中心螺旋式安全着陆区搜索方法
足要求的安全着陆区域 , 则根据坡度和安全半径的 加权判断选取最优的区域作为安全着陆区 , 确定安 全着陆点.
5
5.1
自主避障控制方法
接近粗避障制导
图3 562
安全半径螺旋搜索算法
接近段的主要任务是对着陆区成像并进行粗避 障, 终端相对月面速度接近于零. 接近段需要保证光 学成像敏感器能够对着陆区成像并完成粗避障 , 因 此接近段制导必须能够满足制导目标的位置、速度、 姿态以及初始高度和速度等多项约束 . 为了能够满 足上述诸多约束条件 , 基于四次多项式制导律 [5], 接 近段提出了一种改进的多项式制导算法 , 在满足多 约束的条件下, 可解析计算出制导时间, 不需要迭代, 简化了计算, 提高了算法稳定性; 为了保证接近段制 导的高可靠性 , 提出了制导时间以及高度和速度超 差的保护方法. 通过设计每个方向的约束条件, 保证 了光学成像敏感器始终能够观测到着陆区 . 通过重 置安全着陆点, 可实现大范围的机动, 完成粗避障. 为实现粗避障轨迹接近与水平面夹角 45°的直线 下降方式, 着陆器合加速度和速度方向必须相反. 因 此, 推力、月球引力加速度和速度需要满足一定的几 何关系, 如图 5 所示. 图中, x 表示从月心指向着陆器 (径向), z 表示为航向(速度方向). 经过推导 , 确定推力加速度大小 aF 和月球引力 加速度大小 gm 存在如下关系:
嫦娥三号软着陆过程(数模竞赛附件2)
附件2：嫦娥三号软着陆过程的六个阶段及其状态要求1. 嫦娥三号软着陆过程示意图附图4嫦娥三号软着陆过程示意图2.嫦娥三号软着陆过程分为6个阶段的要求（1）着陆准备轨道：着陆准备轨道的近月点是15KM，远月点是100KM。
近月点在月心坐标系的位置和软着陆轨道形态共同决定了着陆点的位置。
（2）主减速段：主减速段的区间是距离月面15km到3km。
该阶段的主要是减速，实现到距离月面3公里处嫦娥三号的速度降到57m/s。
（3）快速调整段：快速调整段的主要是调整探测器姿态，需要从距离月面3km到 2.4km处将水平速度减为0m/s，即使主减速发动机的推力竖直向下，之后进入粗避障阶段。
（4）粗避障段：粗避障段的范围是距离月面2.4km到100m区间，其主要是要求避开大的陨石坑，实现在设计着陆点上方100m处悬停，并初步确定落月地点。
嫦娥三号在距离月面2.4km处对正下方月面2300×2300m的范围进行拍照，获得数字高程如附图5所示（相关数据文件见附件3），并嫦娥三号在月面的垂直投影位于预定着陆区域的中心位置。
附图5：距月面2400m处的数字高程图该高程图的水平分辨率是1m/像素，其数值的单位是1m。
例如数字高程图中第1行第1列的数值是102，则表示着陆区域最左上角的高程是102米。
（5）精避障段：精细避障段的区间是距离月面100m到30m。
要求嫦娥三号悬停在距离月面100m 处，对着陆点附近区域100m范围内拍摄图像，并获得三维数字高程图。
分析三维数字高程图，避开较大的陨石坑，确定最佳着陆地点，实现在着陆点上方30m处水平方向速度为0m/s。
附图6是在距离月面100m处悬停拍摄到的数字高程图（相关数据文件见附件4）。
附图6：距离月面100m处的数字高程图该数字高程的水平分辨率为0.1m/像素，高度数值的单位是0.1m。
（6）缓速下降阶段：缓速下降阶段的区间是距离月面30m到4m。
该阶段的主要任务控制着陆器在距离月面4m处的速度为0m/s（合速度），即实现在距离月面4m处相对月面静止，之后关闭发动机，使嫦娥三号自由落体到精确有落月点。
《2024年嫦娥三号自主避障软着陆控制技术》范文
《嫦娥三号自主避障软着陆控制技术》篇一一、引言随着中国航天事业的飞速发展，嫦娥三号探测器作为我国探月工程的重要一环，其自主避障软着陆控制技术成为了国内外关注的焦点。
本文将详细介绍嫦娥三号探测器在自主避障软着陆控制技术方面的研究背景、意义及国内外研究现状，旨在为后续的科研工作提供参考。
二、嫦娥三号探测器背景及意义嫦娥三号探测器是我国探月工程二期的重要任务之一，其目标是在月球表面实现软着陆并进行科学探测。
在月球表面着陆过程中，由于月球表面地形复杂，存在大量陨石坑、山体等障碍物，因此如何实现自主避障成为了关键技术之一。
研究嫦娥三号自主避障软着陆控制技术，对于提高我国探月工程的成功率、推动我国航天事业的发展具有重要意义。
三、国内外研究现状目前，国内外对于自主避障软着陆控制技术的研究主要集中在以下几个方面：一是探测器与月球表面的环境感知技术，二是避障算法的研究与优化，三是着陆控制策略的制定与实施。
在环境感知技术方面，国内外学者主要通过雷达、激光、视觉等多种传感器进行探测器与月球表面的信息获取。
在避障算法方面，研究人员通过不断优化算法，提高探测器在复杂地形下的避障能力。
在着陆控制策略方面，研究人员制定了多种控制策略，以适应不同的着陆环境。
四、嫦娥三号自主避障软着陆控制技术嫦娥三号探测器采用了多种技术手段实现自主避障软着陆控制。
首先，探测器搭载了高精度的雷达和视觉传感器，实现了对月球表面环境的精准感知。
其次，探测器采用了先进的避障算法，能够在复杂地形下实现自主避障。
最后，探测器制定了多种着陆控制策略，根据不同的着陆环境选择最合适的策略。
在避障算法方面，嫦娥三号探测器采用了基于人工智能的算法，通过机器学习实现对月球表面环境的自适应识别和避障。
同时，探测器还采用了多种传感器融合技术，提高了信息获取的准确性和可靠性。
在着陆控制策略方面，嫦娥三号探测器制定了多种策略，包括基于模型预测控制的策略、基于滑模变结构的策略等。
嫦娥三号是探月二期主任务 将实现三大工程目标
嫦娥三号是探月二期主任务将实现三大工程目标中新网11月26日电26日上午，国家国防科技工业局召开探月工程二期嫦娥三号任务新闻发布会。
在介绍嫦娥三号任务进展情况时，国防科工局新闻发言人吴志坚说，嫦娥三号任务作为探月工程二期的主任务，是“绕、落、回”三步走中的关键一步，将实现三大工程目标和完成三类科学探测任务。
三大工程目标：一是突破月面软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术，提升航天技术水平；二是研制月面软着陆探测器和巡视探测器，建立地面深空站，获得包括运载火箭、月球探测器、发射场、深空测控站、地面应用等在内的功能模块，具备月面软着陆探测的基本能力；三是建立月球探测航天工程基本体系，形成重大项目实施的科学有效的工程方法。
三类科学探测任务分别为月表形貌与地质构造调查；月表物质成分和可利用资源调查；地球等离子体层探测和月基光学天文观测。
吴志坚介绍，探月工程重大专项领导小组是探月工程的组织领导和决策机构，由国防科工局、发展改革委、科技部、财政部、教育部、总装备部、中国科学院、中国工程院、中国航天科技集团公司和中国电子科技集团公司等单位组成，国防科工局为组长单位。
吴志坚介绍，在探月工程重大专项领导小组领导下，嫦娥三号任务的组织实施体系，由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控通信、地面应用五大系统组成。
工程总体包括工程总指挥、总设计师系统和探月与航天工程中心，具体负责工程的系统论证、总体设计和组织实施。
其中，探测器系统由中国航天科技集团公司负责，主要任务是研制嫦娥三号月球探测器。
嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器两器组成。
着陆月面后，在测控系统和地面应用系统支持下，探测器携带的有效载荷开展科学探测。
运载火箭系统由中国航天科技集团公司负责，主要任务是研制长征三号乙改进型运载火箭，在西昌卫星发射中心，将嫦娥三号探测器直接发射至近地点高度200公里、远地点高度约38万公里的地月转移轨道。
2024年度嫦娥三号、四号上的探月神器探地雷达
多频段、多极化探地雷达
未来探地雷达将向多频段、多极化方向发展，以提高对不同类型 月壤和岩石的探测能力。
智能化数据处理与解释
借助人工智能和大数据技术，实现探地雷达数据的自动化处理和解 释，提高数据处理效率和准确性。
与其他探测手段的融合
探地雷达将与光学、红外等其他探测手段相结合，形成多源信息融 合的综合探测体系，提高月球探测的整体效果。
2024/3/23
5
探月科学研究价值
01
月球地质学研究
通过探地雷达对月壤和月岩的探测，可以揭示月球内部的地质构造和岩
石圈层结构，为了解月球的形成和演化提供重要依据。
02
月球资源调查
月球上蕴藏着丰富的氦-3等资源，通过探地雷达的探测，可以评估月球
资源的分布和储量，为未来的月球资源开发打下基础。
2024/3/23
月球表面的极端低温和真空环境对电子设备的稳定性和可 靠性提出了极高要求。需要采用特殊材料和工艺，确保雷 达在极端环境下的正常工作。
能源供应问题
月球表面的太阳能资源有限，需要高效、可靠的能源供应 方案。可以通过优化能源管理系统、提高太阳能电池板的 效率等方式解决。
25
未来发展趋势预测
2024/3/23
8
电磁波传播原理
电磁波的产生
探地雷达通过发射天线向地下发 射高频电磁波，这些电磁波遇到 不同电性介质界面时会发生反射
、折射和散射。
电磁波的传播
电磁波在地下介质中传播，其传 播速度、幅度和相位等参数会受
到介质电性参数的影响。
电磁波的接收
接收天线接收反射回来的电磁波 ，经过信号处理和分析，可以得 到地下介质的结构和物性信息。
26
对未来月球探测任务的建议
嫦娥三号软着陆过程简介
1．嫦娥三号软着陆过程简介1.1 着陆准备轨道：着陆准备轨道即在进行改变探测器速度前的准备阶段。
此时探测器还在椭圆轨道上，轨道的近月点是15km远月点是100kn。
为确定探测器着陆点的位置，我们需确定近月点在月心坐标系的位置和软着陆轨道形态。
1.2 主减速段：主减速段主要任务即将探测器的飞行速度降到57m/s。
该段区间是距离月球表面15km到3km采用惯性、激光、微波测距测速制导；使用主发动机来提供动力，姿态发动机来改变主发动机即加速度的方向。
1.3 快速调整段：快速调整段的主要是利用姿态发动机，调整探测器姿态，使其在距离月面3km到2.4km这段区间内完成将水平速度减为0m/s的任务，即使主减速发动机的推力竖直向下进入粗避障阶段。
1.4 粗避障段：粗避障段的范围是距离月面2.4km到100m区间，其主要是分析星光下光学敏感成像图片，启动姿态发动机，粗步避开大的陨石坑，实现在设计着陆点上方100m处悬停，并初步确定落月地点。
1.5 精避障段：精细避障段的区间是距离月面100m到30m要求嫦娥三号悬停在距离月面100m 处，对着陆点附近区域100m范围内拍摄图像，并获得三维数字高程图。
分析三维数字高程图，避开较大的陨石坑，确定最佳着陆地点，实现在着陆点上方30m处水平方向速度为0m/s。
1.6 缓速下降阶段：缓速下降段主要是保证着陆月面的速度和姿态控制精度,要以较小的设定速度匀速垂直下降, 消除水平速度和加速度, 保持着陆器水平位置, 之后关闭发动机。
缓速下降阶段的区间是距离月面30m到4m要求着陆器在距离月面4m处的速度为0m/s，即实现在距离月面4m处相对月面静止，之后关闭发动机，使嫦娥三号自由落体到精确有落月点。
嫦娥三号软着陆各阶段的轨迹如图（）所示2.各阶段控制策略2.1主减速段设探测器在近月点处的速度为 V,垂直方向速度为V y ,速度方向与水平方向的夹 角为B 调整发动机方向，使发动机方向沿着垂直轴方向并保持加速度大小不变， 故探测器在此阶段只在垂直方向有加速度，探测器在垂直方向运动了 12000米, 速度减至为56m/s ，因此要满足方程，由此可以解出加速度a 和主减速阶段所需要的时间t2.2快速调整段利用姿态发动机，调整探测器姿态，使其在距离月面 3km 到2.4km 这段区间内完成将水平速度减为0m/s 的任务，即使主减速发动机的推力竖直向下进入粗 避障阶段。
数学建模获奖论文A题-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随着人类的进步和科技的发展，人类对太空和月球的探索已经取得了很大的进步。
我国的探月工程项目也一直走在世界前列。
嫦娥三号是我国首次实行外天体软着陆任务的飞行器，在世界上首先实现了地外天体软着陆自主避障。
对于嫦娥三号软着陆过程虽然有很多的研究成果，但这仍然是一个永远值得我们研究的问题。
本文首先分析了嫦娥三号运行轨道的近月点和远月点的速度，然后确定了近月点和远月点的位置。
在这基础上，对嫦娥三号软着陆轨道进行拟合确定，通过制导技术分析六个阶段最优控制策略。
最后，对确定的轨道和最优控制策略进行误差分析和敏感性分析。
在对问题一近月点和远月点位置确定和速度分析时，本文建立了动力学模型，通过万有引力定律求得在近月点的飞行速度为1.67km/s，在远月点的速度为1.63km/s，然后用微元迭代的方法，解得近月点的位置19.51W,32.67N,15km，远月点的位置160.49E,32.67S，100km。
在轨道的确定过程中，为了便于研究，将嫦娥三号软着陆的轨道划分为三个阶段。
第一个阶段是从近月点到距月球表面2400米的高空，在这一阶段的研究中，本文建立了基于软着陆二维动力学模型，然后根据所得到的数据确定轨道，进而用MATLAB拟合出轨道。
第二阶段是从距月球表面2400米到4米，考虑到要避开月球表面障碍物，所以，用MATLAB将附件 3中的图像进行平面和三维作图，从而根据所做出的图像确定出此阶段的运行轨道。
在第三阶段的划分是嫦娥三号从4米处开始做自由落体运动，这个阶段的轨迹是一条直线。
在六个阶段运动过程的最优控制策略研究中，首先运用显示制导法进行六个阶段燃料的最优控制，约束条件是嫦娥三号在每个阶段燃料的使用尽量少。
然后用模拟退火遗传算法对六个阶段的轨道最优化进行设计，得出嫦娥三号着陆过程每个阶段最优轨道控制，通过避障制导技术得出嫦娥三号软着陆六个阶段的最优控制策略。
关键词：二维动力学模型最优控制策略显示制导法一. 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。
嫦娥三号任务全过程将经历五个关键飞控阶段
嫦娥三号任务全过程将经历五个关键飞控阶段第一个阶段是发射阶段。
在这个阶段，嫦娥三号将被发射到太空中。
整个发射过程需要一个强大的火箭来提供推力，以将嫦娥三号送入预定的轨道。
在这个阶段，飞控系统将负责监测和控制火箭的运行情况，确保嫦娥三号成功进入太空。
第二个阶段是轨道校正阶段。
一旦嫦娥三号进入太空后，它将进入一个围绕地球运行的轨道。
在这个阶段，飞控系统将负责对嫦娥三号进行轨道校正，以确保它能够准确地进入月球轨道。
第三个阶段是月球着陆器进入月球轨道阶段。
一旦嫦娥三号进入月球轨道，它将开始准备进入月球表面。
在这个阶段，飞控系统将负责控制嫦娥三号的速度和姿态，确保它能够准确地进入月球表面。
第四个阶段是月面软着陆阶段。
一旦嫦娥三号进入月球表面附近，它将开始着陆准备。
在这个阶段，飞控系统将负责控制嫦娥三号的姿态和速度，确保它能够顺利地着陆在月球表面。
这是一个非常关键的阶段，因为着陆过程需要非常高的精确度和稳定性。
第五个阶段是月球车的部署和操作阶段。
一旦嫦娥三号成功着陆，它将部署月球车，以进行科学勘测和探索工作。
在这个阶段，飞控系统将负责控制月球车的移动和操作，确保它能够准确地执行任务。
飞控系统还将负责监测和管理月球车的能量资源，以确保它能够持续运行。
总结起来，嫦娥三号任务的五个关键飞控阶段包括发射阶段、轨道校正阶段、月球着陆器进入月球轨道阶段、月面软着陆阶段和月球车的部署和操作阶段。
这五个阶段都需要飞控系统的严密监测和精确控制，以确保嫦娥三号能够顺利地完成任务，取得成功。
这是中国航天工程中一个重要的里程碑，也标志着中国航天科技的进步和发展。
嫦娥三号成功软着陆标志的什么结合阅读材料试着分析其成功的原因
嫦娥三号成功软着陆标志的什么结合阅读材料试着分析其成功的原因从嫦娥三号火箭从酒泉卫星发射中心发射升空以来，这项历史性的任务便一路顺利，直至前不久，它终于成功地着陆在月球的南冕脊上。
它的成功，标志着中国成为拥有返回月壤的能力的第三个国家，也令世人惊叹。
本文将通过结合阅读材料，试着分析嫦娥三号成功着陆的原因。
首先，从科学技术看，嫦娥三号在发射、轨道控制、探测、通讯、落月过程中，中国科学家们就已经作出了巨大的贡献。
嫦娥三号发射所使用的酒泉火箭，是国内成功发射的最大的运载火箭之一；它的轨道控制系统，配备有自动调整喷气式动力轨道控制装置，拥有更多的轨道控制优势；而探测装置也在月球落点附近进行了诸多探测，确保了着陆区域及着陆过程的安全。
此外，还有一系列艰苦的科学实验，比如发射前语音识别等，都为着陆成功做出了不可或缺的贡献。
其次，从资金投入上看，中国在嫦娥三号任务上投入了大量的资金，加上其他一系列的经费投入，使嫦娥三号的任务得以实现。
嫦娥三号是一个大型的空间工程，涉及到了成千上万的科研、设计、建造等环节，耗资数以亿计的财力才能完成，从而使得嫦娥三号计划得以实现。
最后，从团队合作看，嫦娥三号任务的成功，不仅取决于先进的技术和可观的资金，更重要的是科学家们围绕项目所进行的团队合作。
嫦娥三号团队围绕项目，确保绝对安全，从复杂的计划到落月，必须要有一个专业、强大、高效的团队协作才能完成。
期间，科学家们严格按照国防科技委安排，进行计划、系统设计、试验场建造、发射前准备、发射期间的监测、监理以及发射后的卫星追踪和控制等，使得嫦娥三号与中国的梦想被实现。
综上所述，嫦娥三号能够成功着陆月球，是结合科学技术、资金投入以及团队协作等多种因素的综合结果。
嫦娥三号的成功，就是中国科学家们奋斗的结果，更是中国探索太空事业的成就。
它的成功，不仅为中国带来了荣耀，也为世界航天技术的发展注入了新的动力，实践证明了人类对于月球探索的渴望和高超的技术实现，为未来的探索和发展提供了更好的基础。
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引言嫦娥三号（Chang'e-3）是中国国家航天局（CNSA）于2013年发射的探月任务。
作为中国首个实现月面软着陆的任务，嫦娥三号的轨道设计与控制策略至关重要。
本文将探讨嫦娥三号的软着陆轨道设计以及相应的控制策略。
一、轨道设计1.1 软着陆的定义软着陆是指在着陆过程中，飞船的速度和加速度较小，从而减小着陆冲击力，降低着陆事故的风险。
嫦娥三号软着陆的主要目标是保证飞船及上面搭载的月球车的安全着陆。
1.2 轨道选择嫦娥三号选择了椭圆轨道进行软着陆。
这是因为椭圆轨道在进入月球表面前可以实现速度和加速度的逐渐减小，从而使得软着陆更加稳定和可控。
1.3 轨道参数设计在确定椭圆轨道之后，嫦娥三号需要确定相应的轨道参数。
这些参数包括轨道离心率、轨道倾角和轨道高度等。
通过科学计算和仿真分析，嫦娥三号确定了具体的轨道参数，以便使得软着陆能够满足任务要求。
二、控制策略2.1 控制模式嫦娥三号软着陆的控制策略采取了主动控制模式。
这意味着在着陆过程中，飞船将根据实时数据进行主动调整，以保证软着陆的稳定和安全。
2.2 触发条件在软着陆的控制策略中，触发条件是十分重要的。
嫦娥三号采取了多个触发条件，包括高度、速度和倾斜度等。
当这些条件满足一定的阈值时，控制系统将自动开始软着陆程序。
2.3 控制手段嫦娥三号软着陆采用了多种控制手段，以确保着陆过程的精确控制。
其中包括推力控制、姿态控制和舵控制等。
这些控制手段能够对飞船的速度、姿态和角度进行实时调整，以实现软着陆的最佳效果。
2.4 控制算法为了实现软着陆的精确控制，嫦娥三号采用了高级的控制算法。
这些算法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
通过这些算法，嫦娥三号能够根据实时数据进行精确的控制，并及时作出调整，以确保软着陆的成功。
结论嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略在实现月面软着陆任务中起到了重要的作用。
通过适当的轨道设计和精确的控制策略，嫦娥三号成功实现了月球表面的软着陆，并为未来的探月任务提供了宝贵的经验。
A题嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略
A题嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略摘要嫦娥三号在北京时间2013年12月14日在月球表面成功实施软着陆，嫦娥三号如何实现软着陆以及能否成功成为外界当时关注的焦点。
发射、近月制动、变轨和月面降落比较起来，月面降落更为关键。
嫦娥三号在高速飞行的情况下，如何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。
本文对上述问题进行如下建模研究。
针对问题一、本文首先以月心为原点建立空间坐标系，利用制动段飞行动力学模型与制导律设计。
求得近月点的坐标是19.0464W,28.9989N，海拔15km,近月点速度为1.6922km/s,速度方向与运行轨道相切。
再运用开普勒第三定律和机械能守恒定律算得远月点远月点的位置为19.51W，55.98S，海拔100km,速度为1.6139km/s。
同时还建立了多项式模型将软着陆燃料消耗最少的优化问题转换成计算需要速度增量最小的问题，再利用仿真算法得出燃料消耗最小时各参量。
针对问题二、本文将着陆段垂直动力学模型简化得到一维垂直动力学模型，应用Pontryagin极大值原理将月球软着陆最优轨迹变成了一个两点边值问题，并利用一种基于初值猜测技术的打靶法求解了这个两点边值问题。
再运用最优控制理论得到6个阶段的最优控制策略。
针对问题三、用协方差分析方法研究误差分析，考虑到轨道参数的误差相对于轨道参数的标称值是小量，因此可以将轨道运动方程进行线性化，从而得到能够反映轨道系数偏差量的传播关系的误差方差。
关键词：Pontryagin极大值原理协方差多项式一. 问题重述根据嫦娥奔月的计划，嫦娥三号于2013年12月1时30分成功发射，12月6日抵达月球轨道，12月10日晚嫦娥三号已经成功降轨进入预定的月面着陆准备轨道，是‘落月’前最后一次轨道调整。
嫦娥三号如何实现软着陆以及是否成功成为外界焦点。
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，其比冲为2940m/s，着陆准备轨道为近月点15km,远月点100km的椭圆形轨道。
嫦娥三号月球探测器资料
嫦娥三号月球探测器资料嫦娥三号月球探测器资料北京时间２０１３年１２月２日１时３０分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，成功将“嫦娥三号”探测器发射升空。
嫦娥三号月球探测器由着陆器和巡视器（俗称月球车）共同组成。
与嫦娥一号、二号不同，嫦娥三号不再称为卫星，而是称作“探测器”，包括着陆器和月面巡视器（后者也被称为月球车）。
２０１３年１１月２６日嫦娥三号月球车得名“玉兔”在我国首辆月球车全球征名活动中，近６５万网民投票“玉兔”号。
嫦娥三号月球探测器总重近３．８吨。
在月球表面软着陆后，“玉兔”号将驶离着陆器进行为期约３个月的科学探测，着陆器则在着陆地点进行就位探测。
按照计划，将于１２月中旬择机在月球虹湾地区实现软着陆，开展月表形貌与地质构造调查、月表物质成分和可利用资源调查、地球等离子体层探测和月基光学天文观测等科学探测任务。
２０１７前后将开展探月工程第三期任务，主要是实现月球表面软着陆并采样返回。
“人类探月一般遵循“探”“登”“驻”三大步。
中国探月工程将第一大步“探月”细分为三期——即“绕”“落”“回”三小步。
绕月探测工程，由嫦娥一号卫星承担。
“绕月”任务圆满完成后，进入探月工程二期“落月”阶段，“落月”主任务由嫦娥三号承担。
嫦娥二号由嫦娥一号“备份星”转为嫦娥三号“先导星”。
嫦娥三号是中国首个在地球以外天体实施软着陆的航天器，将实现探月工程二期“落”的工程目标。
与嫦娥一号、二号相比，嫦娥三号探测器的技术跨度大、设计约束多，结构也更为复杂，主要包括着陆器和巡视器两大部分，其中巡视器，俗称月球车，由９个分系统组成；而着陆器是为了实现月面软着陆专门量身定做的新型航天平台，具有１１个分系统。
嫦娥三号探测器由运载火箭发射升空后，经发射段、地月转移段、环月段和动力下降段等过程，飞行大约１４天的时间，将以软着陆的方式降落在月球虹湾地区；之后，着陆器释放巡视器；两器分离后，各自独立开展月面探测工作。
与以往航天器相比，嫦娥三号最大的特点就是首次在地球以外天体执行软着陆及月面巡视勘察任务，创造了中国航天史上的又一第一。
嫦娥三号
（2）建立最优控制模型。
设计主减速段制导控制律（采用燃料最优制导律）针对主减速阶段，卫星主发动机运作进行减速，整个阶段卫星进行抛物体运动，并在此阶段内实现速度从1.7千米/秒降到0米/秒。1主减速模式，卫星主发动机运作进行减速，整个阶段卫星进行抛物体运动设计快速调整段制导律（采用重力转弯制导）设计粗避障段制导律（参考火星动力下降段制导律，可采用D’Souza 制导，或多项式制导， 将平坦区域作为目标着陆点，从而避开岩石）分析星下光学敏感成像图片，启动姿态调整发动机进行水平位移，粗步避开大陨石坑，并进行减速运动，在末阶段实现卫星悬停于目标位置上方。同设计精避障段制导律（参考火星动力下降段制导律，可采用D’Souza 制导，或多项式制导， 将平坦区域作为目标着陆点，从而避开岩石）分析高分辨率三维成像启动姿态调整发动机进行水平位移，精细避开月面障碍物，主发动机产生恰好抵消自身重力的推力，维持稳定下降，经过调整，实现水平速度为0米/秒
根据上述的基本要求，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）对于设计的着陆轨道和控制策略做相应的误差分析和误差分析。
二、模型假设
（1）假设嫦娥三号的软着陆不受月球自转影响；
（2）假设嫦娥三号水平调位耗能极低可约为零；
（3）月球、日地引力摄动等因素均可忽略不计；
（4）忽略除地球以外的其他因素对飞船运动的影响。
三、符号说明
符号
符号说明
嫦娥三号在A点的机械能
嫦娥三号在B点的机械能
近月点到月心的距离
远月点到月心的距离
嫦娥三号经过近月点的速度
嫦娥三号任务全过程将经历五个关键飞控阶段
嫦娥三号任务全过程将经历五个关键飞控阶段嫦娥三号任务全过程主要经历5个关键飞控阶段：分别是发射及入轨段；地月转移段；环月段；动力下降段；月面工作段。
嫦娥三号是中国最新研制的月球探测器，将首次实现中国航天器在地外天体软着陆。
据知，探月工程按照“绕、落、回”三步走的发展战略，分三期实施，嫦娥三号任务实现的“落”是承前启后的关键一步。
“从今天起到12月14日，我们将组织实施嫦娥三号发射入轨、地月转移和环月段的飞控工作。
”李剑说。
2日凌晨1时30分，嫦娥三号将由长征三号乙改二型(CZ-3B/G2)运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。
飞行约1130秒，探测器与火箭分离，进入近地点200公里，远地点38万公里地月转移轨道。
北京飞控中心将在发射段厦门站跟踪期间，控制嫦娥三号探测器完成姿控管路排气，器箭分离后，在远望六号测量船跟踪期间，嫦娥三号建立稳定飞行姿态，随后展开着陆缓冲机构和太阳帆板。
地月转移段，嫦娥三号将实施1至3次修正，飞行约112小时到达距离月面高度100公里的近月点。
在地月转移期间，北京中心将择机组织深空干涉测量试验和三向测量精度验证试验。
探测器抵达近月点后，在北京中心控制下，计划于12月6日，使用7500牛变推力发动机，实施一次近月制动，进入高度为100公里的环月圆轨道；环月轨道运行4天后，计划于12月10日，地面控制探测器在月球背面完成减速制动，进入近月点高度15公里、远月点高度100公里的椭圆轨道；继续运行4天后，探测器到达动力下降段起始位置，开始实施动力下降。
嫦娥三号月球探测器包括着陆器和巡视器。
着陆器和巡视器在飞行过程中通过连接压紧机构固定在一起，探测器软着陆月面后，控制着陆器释放巡视器，巡视器和着陆器开始互拍成像，控制两器各自开展月面探测工作。
嫦娥三号研制过程艰辛风险难控 攻克六大关键技术
嫦娥三号研制过程艰辛风险难控攻克六大关键技术解密嫦娥三号探测器嫦娥三号探测器研制技术跨度之大，设计约束之多，攻关过程之艰辛，令很多参与任务的设计师刻骨铭心文/《瞭望》新闻周刊记者陈泽伟特约撰稿庞丹随着嫦娥三号任务的开启，人们的目光又一次聚焦中国航天。
作为我国首个在地球以外天体实施软着陆和月面巡视勘察的航天器，嫦娥三号探测器由哪几部分组成？与其他卫星相比有什么特点？技术创新点有哪些？面临的风险是什么？《瞭望》新闻周刊记者走进嫦娥三号探测器抓总研制单位——中国航天科技集团空间技术研究院，了解嫦娥三号的方方面面。
重点实现三大目标从立项到发射，嫦娥三号探测器经历了5年9个月的艰难奋战。
2008年3月，探月工程二期正式立项，嫦娥三号探测器系统全面启动研制工作。
相继经过了方案论证、初样和正样研制阶段，并于2013年9月初，奔赴西昌卫星发射中心，开展为期近三个月的发射场工作。
2013年12月2日，万众瞩目的嫦娥三号一飞冲天，发射取得圆满成功。
嫦娥三号探测器系统总设计师孙泽洲介绍说，嫦娥三号是我国首个在地球以外天体实施软着陆和月面巡视勘察的航天器，将实现探月工程二期“落”的工程目标，创造了我国航天史上的又一个第一。
与嫦娥一号、二号相比，嫦娥三号探测器主要包括巡视器和着陆器两大部分——巡视器俗称月球车，由9个分系统组成；而着陆器是为了实现月面软着陆专门量身定做的新型航天平台，有11个分系统。
嫦娥三号探测器由运载火箭发射升空后，经发射段、地月转移段、环月段和动力下降段等过程，飞行大约14天的时间，将以软着陆的方式降落在月球虹湾地区；之后，着陆器释放巡视器；两器分离后，各自独立开展月面探测工作。
嫦娥三号在飞行任务期间，将重点实现三大工程目标，一是突破月球软着陆、月面巡视勘察等关键技术，提升航天技术水平；二是研制月球软着陆探测器和巡视探测器，建立地面深空站，具备月球软着陆探测的基本能力；三是建立月球探测航天工程基本体系。
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嫦娥三号软着陆关键看避障最后几米最危险
2013年12月02日 03:13来源：新快报
原标题：四腿六轮“三姑娘” 软着陆关键看避障(2)
构型设计——四腿六轮“三姑娘”有四条腿六个轮子，是着陆器和巡视器（俗称“月球车”,官方称为“玉兔号”）的组合体。
与嫦娥一号、二号不同，嫦娥三号在名称上不叫卫星而叫器，是我国第一个“有腿”的航天器。
航天科技集团主任设计师杨建中介绍，这样的组合构型，是由其任务特点决定的。
嫦娥三号任务主要有两个，一是实现月面软着陆，二是实施月面巡视勘察。
这需要它既能落到月面上，还能自主动起来。
将任务分解给两个探测器，有助于加快研制进度。
落月之前，巡视器作为一个载荷被安装在着陆器上，本身并不工作。
整个前期飞行、动力下降以及实施软着陆过程，都是由着陆器完成的。
到月面后，二者互相配合，将巡视器释放到月面上，成为两个独立的探测器，各自在月面开展探测任务。
着陆器包含11个分系统，其中最有特色的当属着陆缓冲分系统，又集中体现在四条“中国腿”的外形上。
据了解，其他国家的软着陆方式主要有三种：一是气囊弹跳式，二是着陆腿式，三是空中吊车式。
每种方案都有优缺点。
就嫦娥三号软着陆任务来讲，气囊式不能满足重量要求，吊车式又比较复杂，腿式能满足任务需要，保证着陆的稳定性。
综合之下，嫦娥三号选用了腿式着陆。
巡视器包含8个分系统，其中最有特色的当属移动分系统。
从外形上看，就是巡视器的6个轮子。
中国航天科技集团巡视器副总设计师贾阳介绍，国外巡视器的移动方案主要有三种：履带式、腿式和轮式。
履带式最大的优点是压强小、通过性强，弱点是遇到石块等容易被卡住不能动弹。
腿式巡视器在平缓的地面行走尚可，但控制起来比较复杂，弄不好一下子就坐到地上。
轮式则能避免上述方式的缺点。
路径设计——前所未有
嫦娥三号的路径设计还要嫦娥一号、二号的基础上更进一层，且难度和风险大大增强。
它要在近月点15公里处进行动力下降，接着实现月面软着陆，然后再进行月面巡视勘察。
这15公里的动力下降，是以抛物线下降。
探测器的相对速度要从1.7公里/秒逐渐减为0，过程主要靠探测器自主来完成，人工干预的可能性几乎为零。
距月面100米处时，探测器还要悬停，对月面进行拍照，避开障碍物，寻找着陆点。
对于地面工程人员来说，这一过程尚属首次，存在两大风险。
一是关键设备都是新研制的，包括GNC系统（制导、导航与控制系统）和我国首台全新的7500牛变推力空间发动机。
二是软着陆区域的地形地貌存在一定程度的不确定性。
等到探测器在月面实现软着陆后，着陆器和巡视器还要进行分离，实现互相拍摄。
着陆器基本固定在一个位置，巡视器则需要从着陆器上“走”下来，进行月面巡视勘察。
在月面路径中，还涉及到“地面遥操作”和“巡视器自主控制”相结合的技术手段。
除了地面遥操作外，巡视器也可以利用计算机，对图像进行处理、识别障碍，规划出相对较近的局部路径，控制自身的移动。
这时候，巡视器就是一个自主移动的机器人了。
功能设计——确保月面生存
月球表面昼夜温差较大，温度高时有120摄氏度，温度低时在零下180摄氏度。
而且，月球的昼夜交替周期也较长，这给“三姑娘”的月面生存带来了很大的难度。
嫦娥三号上有一个多层隔热组件，也就是所谓的“被子”，可以双向隔热，外部高温时候热量不能往里传，外部寒冷时候里面热量不能往外漏。
寒冷时“三姑娘”还得“生炉子”。
“炉子”主要是同位素核源，它能够持续放热。
设计师们还设计了重力驱动的两项流体回路，在需要的时候将热量导入舱内，不需要的时候切断传热途径。
到了月昼时，虹湾温度迅速升高至90摄氏度，在月球表面，散热的方式只有热辐射。
设计师们在探测器上精心设计了几个散热面，可以把设备发出的热量散出去。
有了这些手段和方法，“三姑娘”便能很好地保护自我，在月面上生存下来，从而用携带的科学载荷进行工作。
目前，着陆器主要携带了极紫外相机、月基望远镜、地形地貌相机，还有一些对月面、月尘进行测量的工程载荷。
巡视器主要携带了测月雷达、全景相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪，开展相应的科学探测任务。
通过它们，科学家们将为后续的月球探测积累数据，普通百姓也可以更好地认识宇宙。
先驱探测器落月竟是“盲降”
软着陆希望能避开石头
据新华社电“据报道，嫦娥三号着陆器有避障能力，所以希望它能避开石头等任何大障碍。
要知道当初美国‘勘测者’系列探测器落月时都是‘盲降’啊”，美国航天局月球探索分析小组成员、约翰斯·霍普金斯大学科学家杰夫·普莱夏近日在接受新华社记者采访时这样说。
据普莱夏介绍，“勘测者”探测器落月时只能简单地执行事先设计好的降落程序，然后听天由命。
“勘测者”系列探测器除了在落月中途失败过两次外，其余5次全部安全着陆。
苏联“月球”系列探测器也有好几次落月失败。
普莱夏举例说：“在2009年升空的美国‘月球勘测轨道飞行器’拍摄的图像中，我们发现了‘月球23号’探测器。
它显然在降落时由于速度太快而发生翻滚，导致失败。
所以我们看到的只能是这个探测器的‘身体’一侧。
”
“没有一个美国着陆器，无论是‘勘测者’还是‘阿波罗’，是真正水平着陆的，它们落月时都是倾斜的，”普莱夏说，“这是因为月面凹凸不平，有很多微小的陨石坑。
但对落月来说，小坑一般不是大问题，真正妨碍着陆站稳的是石头。
当然，我相信中国测控人员借助绕月探测器已经拍摄了很多图像，可以选择石头相对较少的安全月面着陆。
”
太空飞行非常复杂，任何事件出错都可能导致失败。
普莱夏介绍说：“如果着陆过程中出了问题，你真的什么也做不了。
在月球上，因为通信信号延迟时间短，你或许还能知道出了问题。
要是在火星上，着陆都已经失败了，你还不知道呢。
”
普莱夏还指出，数十年来，登月技术已有了很大进步，落月的危险小了很多，但最危险的阶段就是最后几米。
对软着陆而言，最重要的技术是避障。
“当你接近月表时，如果用成像系统或雷达等扫描发现有障碍，就需让探测器移动一下位置。
无论是否真有障碍，重要的还是看避障技术。
”普莱夏说。
探测器载荷大多是我国科学家首研
中国科学院副院长阴和俊：力争多出成果、快出成果、出好成果
据新华社电“此次我们组织了100多名科学家成立了5个研究小组。
将力争（让‘嫦娥’、‘玉兔’）多出成果、快出成果、出好成果。
”探月工程副总指挥、中国科学院副院长阴和俊说。
此次嫦娥三号肩负三项科学任务：对着陆区与巡视区的地形地貌与地质结构进行调查；对着陆区与巡视区的矿物组成和化学成分进行综合就位分析；对地月空间和月表环境进行探测，并以月球为平台观测地球和太空。
“‘嫦娥三号’探测器由着陆器和月球车组成，它们各配置了4种有效载荷。
着陆器上的是地形地貌相机、降落相机、月基光学望远镜和极紫外相机。
‘玉兔’号上有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和粒子激发X射线谱仪，软着陆后它们进行分时工作。
”阴和俊说。
阴和俊表示，这些载荷大多是我国科学家首次研制用于月球探测。
它们将完成巡天、观众、测月等任务。
月基光学望远镜是人类首次把望远镜架上月球，极紫外相机将首次从月球对地球等离子体层进行观测。
“中国科学家期望这次能获得第一手的资料，取得一批重要成果，为人类认识月球、利用月球、和平利用太空作出中国人应有的贡
献。
”阴和俊说。