月球软着陆控制系统综合仿真及分析
摘要：月球探测特别是着陆探测已成为航天任务中的热门话题，本文针对月球软着陆的控制系统问题进行讨论分析，并利用仿真软件进行仿真验证。首先建立了月球软着陆的动力学模型，然后采用多项式制导律确定径向最优轨迹和燃耗次优控制方向角，最后利用MATLAB， Simulink验证方法的可行性。通过改变初始状态，讨论了参数偏差对最终着陆状态的影响。分析表明除着陆平面外法线方向的速度w偏差可能导致状态发散外，多项式制导律可以较好的应对其他参数造成的偏差，保证探测器实现软着陆。
关键词：软着陆，最优轨迹，多项式制导律，燃耗次优
1. 引言
在月球探测带来巨大利益的驱使下，世界各国纷纷出台了自己的探月计划，再一次掀起了新一轮探月高潮。在月球上着陆分为两种，一种称为硬着陆，顾名思义，就是探测器在接近月球时不利用制动发动机减速而直接撞击月球。另一种称为软着陆，这种着陆方式要求探测器在距月面一定高度时开启制动系统，把探测器的速度抵消至零，然后利用小推力发动机把探测器对月速度控制在很小的X围内，从而使其在着陆时的速度具有几米每秒的数量级。显然，对于科学研究，对探测器实施月球软着陆的科学价值要大于硬着陆。
图1 月球软着陆过程示意图
在月球表面成功实施软着陆是进行月球探测的关键性技术，更是进行航天员登月、建立月球基地必不可少的一个环节，深入地研究和掌握月球软着陆技术、方法也正是为了达到这个目的。软着陆是相对于硬着陆来说的。硬着陆就是飞行器在重力作用下不采取任何减速措施，相当于“掉下来”。这是一种破坏性的着陆方式，一般用在一次性的飞行器上，比如月球探测卫星，完成任务后就扔到月球上去，不用管了。软着陆就是在落地之前通过一定的手段减小垂直速度，使之以一个可以接受的速度落地，以保护飞行器和航天员。 目前月球软着陆方式主要有以下两种方式：
第一种就是直接着陆的方式。探测器沿着击中轨道飞向月球，然后在适当的月面高度实施制动减速，最终使探测器软着陆于月球表面。采用该方案时，探测器需要在距离目标点很远时就选定着陆点，并进行轨道修正。不难发现，该方法所选的着陆点只限于月球表面上接近轨道能够击中的区域，所以能够选择的月面着陆点的区域是相当有限的。
第二种方法就是先经过一条绕月停泊轨道，然后再伺机制动下降到月球表面，如图 1所示。探测器首先沿着飞月轨道飞向月球，在距月球表面一定高度时，动力系统给探测器施
加一制动脉冲，使其进入一条绕月运行的停泊轨道；然后根据事先选好的着陆点，选择霍曼变轨起始点，给探测器施加一制动脉冲，使其进入一条椭圆形的下降轨道，最后在近月点实施制动减速以实现软着陆。
与第一种方法相比，第二种方法有以下几个方面较大的优越性：
1. 探测器可以不受事先选定着陆点的约束，可以在停泊轨道上选择最佳的着陆点，具有很大的选择余地。
2. 在停泊轨道上，可以对探测器上的设备进行全面的检查、修正，为下一步的霍曼变轨段做好准备。如果是载人登月，停泊轨道还可以给航天员以充足的准备时间，做好心理等方面的准备。
3. 由于可以把轨道舱停留在停泊轨道上，而只控制着陆舱(包括下降发动机、推进剂、GNC系统和在月面上作业的有效载荷等)降到月球表面，故可以减少探测器着陆部分的质量，从而减少着陆过程推进剂的消耗。
4. 在载人登月时，如果发生紧急情况，飞船可以从停泊轨道转入返回地球的过渡轨道。 本课程设计以第二种着陆方式为基础，将对主制动段的制导与控制进行建模仿真与分析。下面将对主制动段作一简要说明，在停泊轨道上，探测器在脉冲制动的作用下，经霍曼变轨，下降到距月面大约 15公里的近月点，该近月点就是主制动段的初始制动点。主制动段以下是障碍检测与规避和最终着陆段。在主制动段，由于探测器的初始速度很大 (1.692km/s)，所以主制动段制导律设计的主要目的就是高效抵消此速度，将探测器导引到期望的末端状态。
图2 探测器软着陆过程示意图
在软着陆过程中，主制动段的制导至关重要，关系着探测器软着陆的成功与否。通过主制动段的制导，探测器被导引到距月面很近的高度 (2公里左右)，速度近似为零，姿态尽可能垂直于月球表面。其次，考虑到探测器所带燃料的有限性，主制动段的制导还要实现燃耗的最优性。为了保证机载设备完好，制导律规划的最优或次优轨迹还要尽可能地平缓，以减小对机载设备的过载冲击。此外，为了有效的实现月球软着陆，所设计的制导律还应对常见误差具有一定的鲁棒性。 2. 月球软着陆动力学模型
首先定义两个月球软着陆坐标系。第一个是月心惯性坐标系OIxIyIzI：原点OI选在月心，OIxI轴指向动力下降段起始点，OIyI轴垂直于OIxI轴指向着陆点方向，OIzI轴按右手法则确定。探测器在空间的位置可由r，?，?表示成球坐标的形式，r为从月心到探测
器的距离，?，?表示月球经度和纬度。第二个就是探测器轨道坐标系Oxoyozo：原点O选在探测器质心，Oxo轴与从月心到探测器质心的矢径方向重合，背离月心方向为正，Oyo轴垂直于Oxo指向运动方向为正，Ozo按右手法则确定。制动推力T的方向与探测器本体轴重合，?，?为在轨道坐标系中表示的推力方向角，如图。假设制动发动机为常推力液体发动机，忽略月球自转，则月球软着陆动力学方程可表示为：
r?'''F?r?3? （1） mr其中，r?r?2??r???r+?????r?
r是探测器月心距矢径，r，r分别表示径向加速度和速度，?为轨道坐标系相对惯性
系的角速度矢量，?为制动推力开关函数，?为月球引力常数，m为探测器质量。用u、v、
w表示上述动力学方程可得：
?r=u????vr????w/(rsin?)?22?F?cos???v?w??2??u??mrr（2） ?2?v?F?sin?cos??uv?w?mrrtan??F?sin?sin?uwvw?w????mrrtan??F?m???C?其中，F为常推力发动机推力大小，?、?为轨道坐标系下推力矢量的方向角，
C?IspgE，Isp为发动机比冲，gE为地表重力加速度常数。
3. 月球软着陆制导控制方案
在月球软着陆任务中，主制动段制导律设计是整个着陆任务中最重要的一环之一。首先，本节对探测器在轨道坐标系下建立动力学模型，根据简化的动力学方程，提出探测器径向最优轨迹模型，然后根据该模型设计多项式显示制导方法。在设计过程中，对探测器各速度矢量和加速度矢量之间的几何关系进行分析。 1 径向最优轨迹模型研究
由式2可以看出，月球软着陆动力学模型为一非线性系统，为求得显示制导律，有必要在不影响着陆目标的前提下对上述模型再做更进一步的简化。对于径向运动，假设在软着陆
过程中月球引力场是均匀的，且引力加速度为一常值图3可直接列写出径向运动方程为：
?2RL，这里RL为月球平均半径，则由
r?uu?F?(3) cos??2mRLFt（m0为C其中，r和u分别表示垂直方向的位置和速度。对于探测器，有m?m0?探测器初始质量），当
Ft??m0时，可对推力加速度做一阶Taylor展开： CFF?Ft??1??? (4) mm0?m0C?最优控制方向角可以分为两部分：一部分是用于满足目标点速度矢量所产生的控制角，一部分是用于满足目标点位置矢量所产生的附加控制角，且该部分为小量。由此，可设最优控制角?为
???0?p1?p2t(5)
其中?0为满足目标点速度矢量部分，p1和p2为满足目标点位置矢量所产生的附加控制角量值参数，那么：
cos??cos?0?p1sin?0?p2tsin?0（6）
将式5和式6带入式3可得：
?F2F?FFu??2p2sin?0t2?cos??psin??psin??01020?tm0Cm0?m0Cm0C?F??cos??psin???010?2m0RLr?k0?k1t?k2t2?k3t3?k4t4（8）
其中，ki?i?0,1...4?为多项式的系数，可通过系统边值条件来确定。
（7）
由前人工作可知，在径向的最优着陆轨迹可由一关于时间t的四次多项式来完全表示：
在动力下降段，制动推力主要用来满足探测器终端速度约束，因此用于满足终端位置约束的控制推力仅占一小部分，也就是说p1?0。此外，此推力控制推力的设计要求高效率的抵消初始速度，因此制动推力角?0近似等于90度，则式7可近似表示为：
F2F?u??2p2t2?p2t?2（9）
m0Cm0RL对式8求二阶导数可得：
r?2k2?6k3t?12k4t2（10）
由式9、式10两式可得：
k4F（11） ?k32m0CFt??m0，所以可以忽略k4。由此，可以分别用一个三次多项式和二次多项式来近似C而
表示探测器径向距离和径向速度。 2 燃耗次优控制方向角确定
现在，根据上一节的推导，分别用一个关于局部时间?的三次多项式和二次多项式来近似表示月心到探测器质心之间的距离r和径向速度u：
r?k0?k1??k2?2?k3?3u?k1?2k2??3k3?（12）
这里的?为局部时间，它以当前时刻t为初始时刻，其取值X围为??0,tgo??，tgo为剩余时间，定义为探测器从当前时刻开始到达目标点所用的时间。式12中个系数可以由以下初始条件和终端条件确定：
r?0??r,r?tgo??rf;u?0??u,u(tgo)?uf
其中，rf表示径向距离终端约束，uf表示径向速度终端约束。由此可以求出式12各系数，得：
k2?3?rf?r?utgo???uf?u?tgot2go（13）
对式12中的u求导可得当前时刻的径向加速度：
a?2k2?6?rf?r?utgo??2?uf?u?tgo2tgo（14）
下面来分析探测器各瞬时加速度矢量和速度矢量之间的几何关系。图4和图5分别为探测器在轨道坐标系下垂直平面内的加速度矢量几何关系示意图和水平面内的速度矢量几何关系示意图。其中，a为径向加速度，aF为推力加速度，aH为加速度水平分量；V为速度矢量在水平面内的投影，VF为水平终端约束速度，VC为由V变到VF所需的速度增量。由动力学方程式2中第4式可以看出，径向加速度a是由月球引力加速度、向心加速度和推力加速度径向分量组成的，根据图4各加速度之间的几何关系即可写出推力角?的三角函
月球软着陆着陆轨道控制策略敏感性分析 - 图文
