嫦娥三号主减速段和快速调整段最优控制策略研究

研究嫦娥三号(CE-3)软着陆过程中的主减速段和快速调整段这两个阶段的最优控制策略，根据牛顿第二定律，建立针对这两个阶段的燃耗最优模型，得到最优控制策略。误差分析和敏感性分析说明了本文所用方法的有效性。

2013 年12 月14 日， 嫦娥三号(CE-3)在月球表面实现软着陆， 这是1976 年后人类探测器首次落月探测，对人类科学考察月球资源、环境具有重大意义[1]-[3]。

CE-3 的软着陆过程是指CE-3 从近月点降落到月面的过程，共分为6 个阶段(图1)： 1) 主减速段：从距离月面15 km 减少到3 km，实现CE-3 减速； 2) 快速调整段：距月面3 km 到2.4 km，在2.4 km 处将水平速度减为0 m/s，期间调整姿态，使发动机推力竖直向下； 3) 粗避障段：距月面2.4 km 到100 m，主要避开大的陨石坑，拍照获得数字高程图，并初步确定落月地点； 4) 精避障段：距月面100 m 到30 m，CE-3 拍照获得数字高程图，确定最佳着陆地点； 5) 缓速下降段：距月面30 m 到4 m，实现在距月面4 m 处速度降为0 m/s； 6) 自由落体段：距月面4 m 到月面，此阶段CE-3 关闭发动机，自由落体到精确的落月点。

以上6 个阶段的研究方法都不尽相同， 其中主减速段和快速调整段主要实现了CE-3 减速和姿态调整， 使CE-3 基本调整到预定着陆点上方， 因此对这两个阶段的研究是对整个软着陆过程研究的关键内容。

目前对软着陆过程的研究中，和兴锁等[4]给出最优推力控制方向的计算公式，周净扬等[5]将问题转化为两点边值问题， 利用Pontryagin 极大值原理， 得到发动机推力的最优控制律。

还有多名学者[6]利用Simulink Figure 1. Chang’e-3 soft landing process 图1. 嫦娥三号月球软着陆过程示意图