嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26584

电子电气工程与控制

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嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计

孟占峰(), 高珊, 盛瑞卿

北京空间飞行器总体设计部，北京 100094

收稿日期:2021-10-29 修回日期:2021-11-29 接受日期:2022-03-22 出版日期:2022-05-20 发布日期:2022-05-19
通讯作者: 孟占峰 E-mail:mengzf1129@qq.com
基金资助:
国家中长期科技发展规划重大专项

Lunar orbit rendezvous phasing design for Chang’e-5 Mission

Zhanfeng MENG(), Shan GAO, Ruiqing SHENG

Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China

Received:2021-10-29 Revised:2021-11-29 Accepted:2022-03-22 Online:2022-05-20 Published:2022-05-19
Contact: Zhanfeng MENG E-mail:mengzf1129@qq.com
Supported by:
National Science and Technology Major Project

摘要/Abstract

摘要：

嫦娥五号任务实现了国际首次月球无人轨道交会对接，本文详细介绍了其最终飞控实施所采用的交会导引策略的设计模型、方法和工程实现考虑。讨论了嫦娥五号月球轨道交会任务的工程设计约束和关键参数的确定，提出了一种月球轨道交会的交班点确定方法。提出了一种新的四脉冲交会策略，通过引入径向变轨控制量，固定各次变轨点位置，解决了在月球背面测控遮挡约束下确保各次变轨全过程测控可见的工程难题。针对新四脉冲方案，采用近圆轨道偏差方程提出了一种新的初值求解方法，构造了基于微分修正的精确数值求解算法，并推导了求解所需的状态转移矩阵的解析表达形式。建立了测控约束下的交会导引约束优化模型，获得了测控约束下的最优能量解，并揭示了问题的全局特性规律。给出了所提出方法在嫦娥五号实际任务中的应用，验证了此方法的正确性。

关键词: 嫦娥五号, 月球轨道, 交会, 状态转移矩阵, 约束优化

Abstract:

To achieve the mission of Chang’e-5 lunar orbit rendezvous， a new 4-impulsive rendezvous phasing scheme is proposed. By using the radial control variable， the argument of latitude of each impulse is constrained， so as to satisfy the constraint of tracking condition. For the new 4-impulse scheme， a new initial guess method is proposed by using the near-circular orbit deviation equation. A high-fidelity numerical solution is constructed using the differential correction algorithm， and the corresponding analytical state transition matrix is derived. The design consideration and results of the key parameters of Chang’e-5 lunar orbit rendezvous mission are discussed. The optimization design model of rendezvous guidance constraint with the constraint of tracking condition is established. The optimal argument of latitude in each impulse is obtained by solving the optimization problem. The global characteristics of constrained optimization problems are also revealed. The operation results of Chang’e-5 show that the proposed strategy can guarantee the constraint of tracking condition， satisfying the flight mission requirements.

Key words: Chang’e-5 Mission, lunar orbit, rendezvous, state transition matrix, constraint optimization

中图分类号:

V412.4

孟占峰, 高珊, 盛瑞卿. 嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 326584-326584.

Zhanfeng MENG, Shan GAO, Ruiqing SHENG. Lunar orbit rendezvous phasing design for Chang’e-5 Mission[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(5): 326584-326584.

图/表 20

图 1

表 1

图 2

图 3

图 4

表 2

传统四脉冲交会导引策略

参数类型	变量
初始参数	$E 0, T 0, E f *, T f, u 1, u 3 T N 0, N 1, N 2, N 3, N 4, N f T$
设计变量	$C = Δ v 1 T, Δ v 2 N, u 2, Δ v 3 T, Δ v 4 T, u 4 T$
瞄准变量	$E f * = a f , e x f , e y f , i f , Ω f , u f T$

表 2

表 3

变轨点纬度幅角指定的新四脉冲交会导引策略

参数类型	变量
初始参数	$E 0, T 0, E f *, T f, u 1, u 3, u 4 T N 0, N 1, N 2, N 3, N 4, N f T$
设计变量	$C 6 × 1 = Δ v 1 T, Δ v 2 N, u 2, Δ v 3 T, Δ v 4 R, Δ v 4 T T$
瞄准变量	$E f * = a f , e x f , e y f , i f , Ω f , u f T$

表 3

图 5

表 4

图 6

图 7

图 8

表 5

表 6

图 9

表 7

表 8

表 9

表 10

图 10

参考文献 22

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参数类型	圈次
入轨点	1
第1次变轨	4
第2次变轨	9
第3次变轨	15
第4次变轨	22
初始瞄准点	25

飞行事件	测控可见纬度幅角范围/（°）	变轨过程测控可见纬度幅角范围（MCE坐标系）/（°）
第1次变轨	［59，279］	［104，276］
第2次变轨	［52，285］	［97，282］
第3次变轨	［57，290］	［100，287］
第4次变轨	［64，297］	［106，293］

飞行事件	圈次	变轨过程测控可见纬度幅角范围（MCE坐标系）/（°）	标称纬度幅角（MCE坐标系）/（°）
入轨	1		109
第1次变轨	4	［104，276］	271
第2次变轨	9	［97，282］
第3次变轨	15	［100，287］	101
第4次变轨	22	［106，293］	290
瞄准点	25		269

轨道参数	入轨点	瞄准点
近月点高度/km	15	210
远月点高度/km	180	210
纬度幅角/（°）	108.7	268.9
绝对时刻	当日进中国首个共视弧段后5 min	当日出中国首个共视弧段前10 min

参数	数值
近月点高度/km	15
远月点高度/km	188
近月点幅角/（°）	108
真近点角/（°）	0.8

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Lunar orbit rendezvous phasing design for Chang’e-5 Mission

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飞行事件	圈次	轨控过程纬度幅角（MCE坐标系）/（°）		变轨过程测控可见纬度幅角范围（MCE坐标系）/（°）	速度增量/（m·s^-1）			速度增量模值/（ m·s^-1）
飞行事件	圈次	调姿开始	轨控关机	变轨过程测控可见纬度幅角范围（MCE坐标系）/（°）	R向分量	T向分量	N向分量	速度增量模值/（ m·s^-1）
第1次变轨	4	231	274	［104，276］	0	34.4	0	34.4
第2次变轨	9	131	177	［97，282］	0	0	-3.9	3.9
第3次变轨	15	59	103	［100，287］	0	3.3	0	3.3
第4次变轨	22	248	292	［106，293］	-16.2	9.0	0	18.5

飞行事件	调姿开始	轨控开机	轨控关机	测控出站
第1次变轨	52.6	67.6	68.5	70.5
第2次变轨	27.9	42.9	43.3	80.6
第3次变轨	0.7	15.7	16.1	80.9
第4次变轨	63.3	78.3	78.9	80.7

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