● 摘要
随着“嫦娥”五号试验器的成功发射，我国“嫦娥”探月工程第三阶段正式拉开帷幕，月面返回技术将是今后研究工作的重点，而月面上升正是月面返回的一个关键环节。本文在系统总结了轨迹优化设计这一领域的基础上，就月面上升燃料最优标称轨迹快速设计问题进行了研究，希望可以对间接法求解月面上升轨迹优化问题进行一定的改进。论文主要研究内容如下：
首先，分析了月面返回方式和月面上升过程，在二维平面极坐标下建立系统的动力学模型。
其次，应用最优控制理论和Pontryagin极值原理设计了常推力燃料最优制导律，以发动机推力方向作为控制变量，将轨迹优化问题转化为两点边值问题。
然后，采用打靶法求解该两点边值问题，主要创新在于将智能优化算法引入打靶过程，以搜索求解代替传统算法的迭代求解，同时采用了粒子群算法与单纯形算法接力优化的混合优化算法，充分发挥了两种算法的搜索优势。
之后，将月面上升燃料最优轨迹优化问题转化为参数估计问题，运用UKF参数估计算法进行求解。主要创新在于该算法不用推导梯度矩阵，而且可以克服传统间接法面临的协态变量初值猜测的困难，在保证精度的情况下求解效率有一定提高。
最后，设计了闭环标称轨迹跟踪制导律，对计算得到的标称轨迹进行闭环跟踪仿真，同时也进行了蒙特卡洛误差仿真以分析相关初始参数的偏差对入轨误差的影响。