● 摘要
本论文针对我国探月二、三期工程及其后续任务，研究月球软着陆的关键技术之一—制导、导航与控制问题，旨在为探测器实现月面软着陆提供新的系统方案、理论依据和关键技术支撑。 月球软着陆过程通常可以分为4个阶段，即霍曼转移段、动力下降段、姿态调整段和最终着陆段。着陆期间，着陆器的大部分燃料消耗在动力下降段，而最终着陆段直接影响到着陆器的安全，因而本文重点研究这两个阶段的制导与控制问题。 针对动力下降段的制导律设计，研究了该段轨迹的优化问题，分别用间接法和直接法对月球软着陆的燃料最优问题进行了求解。对于间接法，本文采用了Pontryagin极大值原理，将燃料最优控制问题转变成两点边值问题，然后利用打靶法对问题进行了求解，得到了燃料最优的着陆轨迹。对于直接法，文中首先将轨迹优化问题转换成非线性规划问题，然后提出了一种自适应模拟退火遗传算法，并将其应用于软着陆的轨迹优化问题。该方法与打靶法具有相同的优化精度，但其鲁棒性与适应性更强。接着，在变推力发动机的前提下，将三维软着陆动力学方程进行适当的变换，并采用Theta-D方法求解，得到了可以实现定点着陆的燃料次优制导律。最后，对发动机推力固定的情况，将系统模型进行简化，并应用Pontryagin极大值原理，得到了燃料次优的显式制导律。 针对最终着陆段的制导律设计，研究了两种重力转弯着陆制导方案。一是应用直接自适应控制理论，实现了重力转弯着陆的速度-斜向距离跟踪和速度-高度跟踪，在发动机推力存在大偏差的情况下，仍能实现速度-斜向距离跟踪。二是采用改进的变结构控制方法，并引入含有控制变量的逻辑规则，使得着陆器只需通过发动机的开/关，就能同时减小速度与斜向距离，实现重力转弯着陆。然后，提出一种新型绳系着陆系统及其两种着陆方案。方案Ⅰ是应用最优控制理论选择制动发动机的点火点，并分别采用PD控制器和输入-输出反馈线性化控制器控制绳索的展开和有效载荷的着陆。方案Ⅱ是分别采用模糊控制器和改进的变结构控制器控制制动器的侧向运动和垂直运动，并应用变结构控制器控制有效载荷的跟踪运动。两种方案都能避免由制动发动机尾焰引起的月面效应，确保着陆器安全着陆，但后者比前者更优越。 最后，针对软着陆过程，提出了整个系统方案的着陆制导策略，并考虑了着陆器GNC系统的导航误差、姿态控制误差、质量估计误差、推力大小偏差和发动机比冲偏差等因素的影响，进行了全系统方案的仿真。仿真结果表明，该系统方案能够有效地克服上述各种误差和偏差的影响，保证有效载荷的安全着陆，且燃料消耗是次优的。仿真结果也初步验证了所提出的绳系着陆系统的可行性和优越性。