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深空探测返回再入轨迹优化与制导

作　者: 李世伦
导　师: 马克茂
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 深空返回再入 轨迹优化 标准轨道落点 标准制导律 精确回收
分类号: V412.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


深空返回再入过程是载人深空飞行的一个非常重要环节，直接决定航天器和航天员能否安全返回着陆场区。该过程具有能量巨大、约束条件严格和回收困难等特点。所以论文工作基于再入轨迹的优化和制导来展开。首先，在几个简单的假设的前提下，根据牛顿第二定律建立起飞船在再入坐标系中的运动方程。针对计算机运算特点，将运动方程进行无因式化。模型的建立为后面的一系列工作奠定数学基础。同时为深空探测飞行器再入设计一种再入方案。然后，对再入过程的仿真发现可主要对一次再入段优化。进一步的分析表明，优化的重点可集中于对纵向剖面的优化。优化时先将带动态约束条件的优化问题转化为静态终端条件约束的优化问题，再使用序贯加权因子法（SWIFT）将该静态优化问题转化为非线性规划问题，最后，给出了简化模型的最优轨迹仿真。为实现对最优轨迹的跟踪，使用了标准制导律。在标准轨道制导律设计时，提出一种新方法来确定标准轨迹的落点。该法在进行标准轨迹设计时完全将纵向剖面轨迹设计和侧向剖面轨迹设计独立开,为设计工作带来了不小的便利。在求标准制导律的增益系数时，从线性二次型最优性能指标出发，解黎卡提方程求解最优反馈系数。对制导律进行有初始误差的仿真实验时，发现制导效果较差。据此，对制导律做相应的改进。对改进后的制导律进行Matlab仿真，发现跟踪效果良好。最后，针对二次再入段的特点，设计一种预测-校正制导律并进行仿真。在对再入方案的进一步分析后，进行再入全过程的Matlab仿真。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 课题背景及研究目的  8
  1.2 国内外深空探测返回的历史和研究现状  8-10
    1.2.1 国外深空探测返回的历史和现状  9-10
    1.2.2 国内深空探测返回的历史和研究现状  10
  1.3 相关理论的研究现状  10-13
    1.3.1 最优轨迹规划的研究现状  10-12
    1.3.2 标准轨道制导律的研究现状  12-13
    1.3.3 预测制导律的研究现状  13
  1.4 本文的主要工作及章节安排  13-15
第2章 深空探测返回再入过程数学模型的建立  15-29
  2.1 引言  15
  2.2 坐标系  15-18
    2.2.1 相关坐标系的定义  15-17
    2.2.2 各个坐标系之间的关系  17-18
  2.3 再入运动方程  18-23
  2.4 参数计算模型  23-26
    2.4.1 重力加速度 g  23-24
    2.4.2 飞船飞行高度 h  24
    2.4.3 气动力模型  24
    2.4.4 热流密度模型Q  24-25
    2.4.5 加速度过载模型  25
    2.4.6 横程和纵程  25-26
  2.5 对运动方程进行无量纲化  26
  2.6 再入方案的确定  26-28
  2.7 本章小结  28-29
第3章 轨迹优化  29-37
  3.1 引言  29
  3.2 简化的再入模型  29-30
  3.3 轨迹优化  30-35
    3.3.1 单纯形法  30-32
    3.3.2 惩罚函数法  32-33
    3.3.3 增广序贯加权因子法（SWIFT）  33-35
  3.4 最优轨迹的 Matlab 仿真  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章 标准制导律设计  37-55
  4.1 引言  37
  4.2 标准轨迹落点的确定  37-40
  4.3 纵向制导律的设计  40-41
  4.4 线性二次型最优调节器（LQR）法求解反馈系数  41-46
  4.5 横向制导律的设计  46
  4.6 标准制导律 Matlab 仿真  46-48
  4.7 标准制导律跟踪性能分析  48-54
    4.7.1 误差源参数的设定及仿真  49-51
    4.7.2 误差结果分析及制导律改进  51-54
  4.8 本章小结  54-55
第5章 二次再入段制导和再入过程仿真  55-64
  5.1 引言  55
  5.2 预测-校正制导律  55-58
    5.2.1 纵向制导方案  55-57
    5.2.2 侧向制导律的设计  57-58
    5.2.3 预测-制导律的 Matlab 仿真  58
  5.3 跳跃再入方案分析  58-60
  5.4 飞船再入过程的 Matlab 仿真  60-62
  5.5 再入方案的误差分析  62-63
  5.6 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-69
致谢  69

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 基础理论及试验 > 飞行力学 > 航天器飞行力学 > 航天器（包括卫星）的轨道
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