嫦娥三号软着陆过程简介.doc

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 100km。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 1 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 vy，速度方向与水平方向的夹 角为 θ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 v y 1 at 2 12000 2 (v y at )2 (v cos )2 57 ，由此可以解出加速度 a 和主减速阶段所需要的时间 t 2.2 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。保持探测器垂直方向上的加速度不变，探测器水平方向速度减为 0， 垂直方向运动了 600 米，因此要满足方程 2 v 0 cos axt ' 0 600 其中 ax 为探测器在水平方向的加速度， t ’ (v at )t' 1 a t '2 ， y 2 y 为快速调整阶段所经历的时间。 2.3 粗避障段 在该阶段，要求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。 我们首先来分析着陆器此时的加速度与速度方向。考虑到成像敏感器能够 持续观测预定着陆区，而我们查阅资料得， 7500N主发动机羽流带来的不可见区 域为半锥角约 25°的锥体，而成像敏感器视场为 30°，所以我们在保证成像敏 感器能够充分观察到全视角并使成像敏感器的视线尽量短的情况下， 着陆器需要 40°的偏置角进入，为进一步保证着陆器能够观察到着陆区，我们确定采用下降轨迹接近与水平面夹角 45°的直线下降方式进入下一阶段。因而为满足以上角度设置，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。 x 表示从月心指向着陆器 ( 径向 ), z 表示为航向 ( 速度方向 ) 。 根据力学知识，我们科推导出： gm aF = cos - tan sin 其中， α 为推力方向与引力方向的夹 角；β为速度方向和水平方向的夹角。 利用正交分解可得： ax =aF cos gm,a z =-a F sin 如果保证加速度在 x 方向与 z 轴方向 的加速度不变，那么我们不难得到下 降高度和航程为： v 2 v x2 0 v 2 v z sx = xf 2ax ,s z = zf 2az 其中， vxf 和 vzf 分别为接近段终端时 x 方向与 z 方向的速度， vx0 和 vz0 分别为接近段入口处 x 方向与 z 方向速度。则，标称的接近段时间为： Ta v xf v x 0 / ax 根据我们之前的讨论，采用下降轨迹接近与水平面夹角