探测器软着陆形状不规则小行星时间最优控制问题研究

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近年来,随着航天技术领域中不断发展,人类一直以来不断的探索和利用外太空,包括月球和太阳系的其他天体,尤其对小行星的探测的步伐也越来越紧密。对小行星的探索有利于了解宇宙、开发和利用空间资源等重要的科学价值。在对探测器的动力学建模中,由于大多数小行星的形状具有不规则性,密度不均匀性等,这就造成了小行星的引力场非恒定,分布较复杂不规则;以及第三方摄动作用及实际外空环境中其他因素干扰模型不确定性。导致探测器实际应用受到挑战。针对以上问题,考虑到不规则小行星空间引力场的复杂性,本文提出一种新的动力学建模方式,对探测器软着陆时间最优控制进行研究分析。本文充分考虑了探测器软着陆小行星过程的环境因素及小行星的本身特性,首先针对小行星弱引力场的复杂不规则性,定义了弱引力场空间场的分界半径。在分界半径外,将不规则小行星视为质点处理计算引力;在分界半径内,利用多面体模型计算小行星引力场;其次,考虑不规则小行星大部分质量都较小,本文分析了太阳光压和辐射压对探测器的作用。最后,本文选择利用的庞特里亚金极小值原理将问题转化为求解哈密顿函数的两点边值问题(TPBVP),求得探测器最优轨迹和最优控制的数值解。利用提出的新的动力学模型,本文针对两颗不规则小行星Eros433和Bacchus2063分别进行了算例仿真,两者的仿真结果表明,基于复杂引力场进行分界后,探测器软着陆不规则小行星的时间最优轨道机动策略也可以较好的完成软着陆任务;在引力场分界半径处,可根据探测器测得数据修正因无模型干扰的不确定性对探测器产生的影响;探测器下降过程中两种模型能量消耗相关值相差不大,也说明了分界半径外小行星引力场对探测器影响确实比较小,说明分界半径外小行星引力场对探测器影响确实比较小,计算结果表明这样可简化对探测器的操作;而在计算条件相同的情况下,分界后提高了计算机运行速度,更有利于实现对探测器的实时控制。
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