深空撞击探测末制导律的设计与分析

论文摘要

高精度自主末段制导是深空撞击探测任务的关键技术之一。本文在系统总结小天体探测任务中的末制导律基础之上,针对小天体撞击的特点,设计了几种满足精度和燃料消耗要求的末段导引律。主要的研究内容如下:首先建立了深空撞击探测末段制导律设计中所涉及到的各种坐标系以及各坐标系间的转换关系;给出了接近段的动力学方程,为末制导律的设计提供基础。利用导航系统提供的撞击器与目标天体的状态以及相互之间的状态参数,在定义与构建了零控脱靶量的基础之上,基于撞击时刻脱靶量为零的要求设计了基于零脱靶量的深空撞击探测末段制导律;利用了接近段的导航误差逐渐减小及其在B平面坐标系中可以直观的表示等特点,设计了以导航误差的大小作为开机阀值的轨控发动机开关机曲线,从而解决了探测器轨控发动机离散脉冲控制力的问题。通过仿真分析,此制导律满足深空撞击探测末制导的要求。针对小天体直接撞击的特点,利用比例导引法控制视线转率的方法,兼顾了控制脱靶量以提高最终的撞击精度,考虑到发动机脉冲控制力的实际情况,设计了一种基于比例导引的小天体撞击末制导律。仿真结果表明,撞击精度良好,满足要求。研究了预测撞击点的末制导方法及其在小天体探测末制导中的应用。针对小天体撞击探测任务的特点,通过撞击器的动力学方程可以预测出末端撞击时刻撞击器的状态,由末端状态可以反馈计算出满足直接撞击所需要的制导推力。给出了两种预测制导律方案:一种是固定开机时间的普通预测制导方案;另一种是由脱靶量决定开机时刻的改进预测制导方案。最终仿真结果显示,改进的预测制导律制导结果优于固定时间开机的预测制导律。最后,考虑到实际任务设计的需要,分析各误差源对制导律制导精度影响。以固定开机时间预测制导律为例,分析了姿态机动误差、导航误差以及机动执行误差等误差源对制导律的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 课题研究的目的
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 参考坐标系与动力学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 参考坐标系
• 2.2.1 参考坐标系的定义
• 2.2.2 参考坐标系之间的转换关系
• 2.3 撞击器动力学模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于零脱靶量的末段制导律设计
• 3.1 引言
• 3.2 基于零脱靶量的制导律设计
• 3.2.1 基于零脱靶量制导律的方案
• 3.2.2 零控脱靶量的计算
• 3.2.3 零脱靶量制导推力的设计
• 3.3 导航精度的描述与开机曲线的设计
• 3.3.1 协方差的时间传播
• 3.3.2 点位误差椭圆的大小与方向
• 3.3.3 点位落入误差椭圆的概率
• 3.3.4 开关机曲线的设计
• 3.4 蒙特卡洛仿真分析
• 3.4.1 无误差源影响的仿真分析
• 3.4.2 有误差源影响的仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于比例导引的末段制导律设计
• 4.1 引言
• 4.2 相对运动模型的建立
• 4.3 导引律的设计与实现
• 4.3.1 导引方案
• 4.3.2 虚拟视线角速度与距离变化率的构建
• 4.3.3 开关曲线与开关方式的确定
• 4.4 蒙特卡洛仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于预测制导的末段制导律设计
• 5.1 引言
• 5.2 预测制导的方案
• 5.2.1 固定开机时间的机动方案
• 5.2.2 机动执行过程
• 5.3 改进的预测制导方案
• 5.4 预测制导算法
• 5.4.1 状态方程的推导
• 5.4.2 撞击时间（TOI）的估计与更新
• 5.4.3 点火修正方法
• 5.5 蒙特卡洛仿真分析
• 5.5.1 无误差源的仿真分析
• 5.5.2 误差源综合仿真分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 误差源影响分析
• 6.1 引言
• 6.2 各种误差源的影响分析
• 6.2.1 姿态控制误差影响分析
• 6.2.2 点火执行误差影响分析
• 6.2.3 场景分析目标选取的影响分析
• 6.2.4 导航系统误差影响分析
• 6.3 仿真结果分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢