嫦娥三號軟著陸過程簡介

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1、1．嫦娥三號軟著陸過程簡介1.1著陸準(zhǔn)備軌道：著陸準(zhǔn)備軌道即在進(jìn)行改變探測器速度前的準(zhǔn)備階段。此時探測器還在橢圓軌道上，軌道的近月點(diǎn)是15km，遠(yuǎn)月點(diǎn)是100km。為確定探測器著陸點(diǎn)的位置，我們需確定近月點(diǎn)在月心坐標(biāo)系的位置和軟著陸軌道形態(tài)。1.2主減速段：主減速段主要任務(wù)即將探測器的飛行速度降到57m/s。該段區(qū)間是距離月球表面15km到3km。采用慣性、激光、微波測距測速制導(dǎo)；使用主發(fā)動機(jī)來提供動力，姿態(tài)發(fā)動機(jī)來改變主發(fā)動機(jī)即加速度的方向。1.3快速調(diào)整段：快速調(diào)整段的主要是利用姿態(tài)發(fā)動機(jī)，調(diào)整探測器姿態(tài)，使其在距離月面3km到2.4km這段區(qū)間內(nèi)完成

2、將水平速度減為0m/s的任務(wù)，即使主減速發(fā)動機(jī)的推力豎直向下進(jìn)入粗避障階段。1.4粗避障段：粗避障段的范圍是距離月面2.4km到100m區(qū)間，其主要是分析星光下光學(xué)敏感成像圖片，啟動姿態(tài)發(fā)動機(jī)，粗步避開大的隕石坑，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)上方100m處懸停，并初步確定落月地點(diǎn)。1.5精避障段：精細(xì)避障段的區(qū)間是距離月面100m到30m。要求嫦娥三號懸停在距離月面100m處，對著陸點(diǎn)附近區(qū)域100m范圍內(nèi)拍攝圖像，并獲得三維數(shù)字高程圖。分析三維數(shù)字高程圖，避開較大的隕石坑，確定最佳著陸地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在著陸點(diǎn)上方30m處水平方向速度為0m/s。1.6緩速下降階段：緩速下降

3、段主要是保證著陸月面的速度和姿態(tài)控制精度,要以較小的設(shè)定速度勻速垂直下降,消除水平速度和加速度,保持著陸器水平位置,之后關(guān)閉發(fā)動機(jī)。緩速下降階段的區(qū)間是距離月面30m到4m。要求著陸器在距離月面4m處的速度為0m/s，即實(shí)現(xiàn)在距離月面4m處相對月面靜止，之后關(guān)閉發(fā)動機(jī)，使嫦娥三號自由落體到精確有落月點(diǎn)。嫦娥三號軟著陸各階段的軌跡如圖（）所示2.各階段控制策略2.1主減速段設(shè)探測器在近月點(diǎn)處的速度為V，垂直方向速度為vy，速度方向與水平方向的夾角為θ調(diào)整發(fā)動機(jī)方向，使發(fā)動機(jī)方向沿著垂直軸方向并保持加速度大小不變，故探測器在此階段只在垂直方向有加速度，探測器在

4、垂直方向運(yùn)動了12000米，速度減至為56m/s，因此要滿足方程，由此可以解出加速度a和主減速階段所需要的時間t2.2快速調(diào)整段利用姿態(tài)發(fā)動機(jī)，調(diào)整探測器姿態(tài)，使其在距離月面3km到2.4km這段區(qū)間內(nèi)完成將水平速度減為0m/s的任務(wù)，即使主減速發(fā)動機(jī)的推力豎直向下進(jìn)入粗避障階段。保持探測器垂直方向上的加速度不變，探測器水平方向速度減為0，垂直方向運(yùn)動了600米，因此要滿足方程，其中ax為探測器在水平方向的加速度，t’為快速調(diào)整階段所經(jīng)歷的時間。2.3粗避障段在該階段，要求保證光學(xué)成像敏感器能夠?qū)χ憛^(qū)成像并完成粗避障，因此接近段制導(dǎo)必須能夠滿足制導(dǎo)目標(biāo)的

5、位置、速度、姿態(tài)以及初始高度和速度等多項(xiàng)約束。我們首先來分析著陸器此時的加速度與速度方向。考慮到成像敏感器能夠持續(xù)觀測預(yù)定著陸區(qū)，而我們查閱資料得，7500N主發(fā)動機(jī)羽流帶來的不可見區(qū)域?yàn)榘脲F角約25°的錐體，而成像敏感器視場為30°，所以我們在保證成像敏感器能夠充分觀察到全視角并使成像敏感器的視線盡量短的情況下，著陸器需要以40°的偏置角進(jìn)入，為進(jìn)一步保證著陸器能夠觀察到著陸區(qū)，我們確定采用下降軌跡接近與水平面夾角45°的直線下降方式進(jìn)入下一階段。因而為滿足以上角度設(shè)置，著陸器合加速度和速度方向必須相反.因此,推力、月球引力加速度和速度需要滿足一定的幾何

6、關(guān)系。x表示從月心指向著陸器(徑向),z表示為航向(速度方向)。根據(jù)力學(xué)知識，我們科推導(dǎo)出：其中，α為推力方向與引力方向的夾角；β為速度方向和水平方向的夾角。利用正交分解可得：如果保證加速度在x方向與z軸方向的加速度不變，那么我們不難得到下降高度和航程為：其中，vxf和vzf分別為接近段終端時x方向與z方向的速度，vx0和vz0分別為接近段入口處x方向與z方向速度。則，標(biāo)稱的接近段時間為：根據(jù)我們之前的討論，采用下降軌跡接近與水平面夾角45°的直線下降方式，因此，β=45°。參考相關(guān)資料，并綜合考慮光學(xué)成像敏感器視場、推力大小、下降高度和接近段時間等約束條

7、件，我們?nèi)ˇ?9°。于是，根據(jù)推力、月球引力加速度和速度等約束以及接近段入口高度條件，就可以計(jì)算出接近段的入口速度和全程加速度等約束。由于設(shè)計(jì)的接近制導(dǎo)目標(biāo)加速度全程保持不變,則制導(dǎo)加速度為零,于是制導(dǎo)剩余時間tgo的約束方程可以簡化為；其中，rtGz,vGz和atGz分別為制導(dǎo)系的航向位置、速度和加速度制導(dǎo)目標(biāo),rGz和vGz分別為制導(dǎo)系的航向位置和速度。觀察得到該式為關(guān)于gto的二次方程，避免了原多項(xiàng)式制導(dǎo)求解tgo時的迭代計(jì)算。設(shè)計(jì)的制導(dǎo)加速度指令表達(dá)為：其中，r,tGv和tGa分別為制導(dǎo)系的位置、速度和加速度制導(dǎo)目標(biāo),Gr和Gv分別為制導(dǎo)系的位置和

8、速度。所以，一旦當(dāng)探測器確定好著陸點(diǎn)，我們只需將預(yù)設(shè)的著陸點(diǎn)設(shè)置成