小天体智能附着技术研究进展

面向小天体探测与开发稳健附着的需求,结合国内外小天体附着探测任务,分析了小天体智能附着技术的需求,综述了目前的研究进展。回顾了小天体附着探测的相关工程任务、介绍了小天体传统的刚性附着模式与新型智能柔性附着的概念、梳理了小天体智能附着技术的需求,在此基础上从动力学、任务规划、感知、导航、制导与控制等方面归纳总结了智能附着技术的研究进展,对小天体附着技术的发展趋势进行了展望。

小天体柔性附着自适应曲率制导

柔性附着是一种能够在小天体弱引力环境下防止倾覆反弹、提高附着安全性的新思路。针对柔性着陆器在附着过程中障碍规避的问题,提出一种基于虚拟安全边界的自适应凸优化曲率制导方法。在几何凸轨迹曲率制导的基础上,引入与柔性着陆器结构特性相关的虚拟安全边界,并根据地形障碍信息自适应调整安全边界的形状,使用序列凸优化方法求解柔性着陆器多节点协同的最优避障轨迹。数值仿真结果表明,所提出的方法能有效满足柔性着陆器在复杂星表环境下障碍规避的需求,进一步提高小天体附着的安全性。

深空测角测距融合定位光学信息优选方法研究

针对深空探测器自主定位问题,提出测角测距融合定位下光学信息的优化选取方法。分析光学测角与导航星测距的特性,建立测角-测距融合定位方案,在此基础上,综合测量几何构型与敏感器测量精度,表征测角信息整体可观度与相对可观度,并建立测角信息评价函数,利用启发式算法实现测角组合的优化选取。数值仿真表明:所设计的光学信息优化选取方法能有效提升导航性能。

小天体柔性附着技术

针对探测器在小天体附着任务中面临的弱引力环境下易反弹和倾覆问题,论述了柔性附着方式,并探讨了柔性附着的关键技术。首先分析了小天体附着任务的特点和由此引发的主要技术问题;进而结合已实施的小天体附着任务,探讨了现有的“刚性+缓冲”方式与“接触即走”方式的特点及不足,并介绍新型的“柔性附着”方式。在此基础上,围绕柔性附着方式,对自主导航与制导控制等关键技术的研究进展与难点进行了总结和分析,并讨论了未来研究方向。

地外天体着陆自主避障制导技术研究进展

基于地外天体软着陆探测任务的需求,阐述了地外天体着陆自主避障制导技术的研究进展。首先对典型的地外天体着陆探测任务进行回顾与分析,并总结了着陆避障制导面临的形貌复杂多样、控制资源受限、避障精度要求高、星载计算资源有限等挑战与难点。在此基础上,从自主障碍评估和自主障碍规避两个方面梳理了着陆避障制导的研究现状。最后,结合未来地外天体探测任务需求,对着陆避障制导技术的发展方向进行了展望。

大规模星座近圆无奇异同步快速轨道预报方法

针对大规模星座轨道预报存在卫星数量多、摄动方程强非线性等难题,提出一种基于平均速率矩阵的多星同步快速轨道预报算法。该算法首先基于哈密顿力学理论建立了二阶带谐项摄动下的轨道动力学模型,其次,利用无奇异轨道根数提出了一种近圆无奇异解析轨道预报模型,并基于Fourier-Bessel级数理论消除真近点角使模型只含有平近点角,简化预报计算过程,在此基础上,基于矩阵理论构造了多星轨道同步预报算法,实现多星轨道同步快速预报。以“星链”卫星星座为例进行仿真,结果表明:提出的方法能够将计算速度提高一个数量级,7天的轨道预报误差小于2.7 km。

小天体自主附着技术研究进展

基于国际上已实施的小天体探测任务和未来小天体附着探测技术的发展趋势,阐述了小天体自主附着的必要性及关键技术。首先回顾了已成功实施的小天体探测任务的特点,进而总结了小天体自主附着的难点问题,概括分析了小天体自主附着所涉及的关键技术及其研究进展,最后对未来小天体自主附着技术的研究热点和发展趋势进行了展望。

基于卡尔曼/粒子组合滤波器的组合导航方法研究

粒子滤波在组合导航系统非线性非高斯条件下的滤波估计中获得广泛关注,但捷联惯导误差模型维数较高,直接应用粒子滤波会带来维数灾难。设计了用于SINS/GPS组合导航的卡尔曼/粒子组合滤波算法,采用卡尔曼滤波和粒子滤波分别对系统的线性和非线性状态进行估计,降低粒子滤波器状态维数,避免维数灾难。采用系统残差采样法的规则化粒子滤波器,有效缓解粒子贫化问题,并减少计算负担。仿真结果表明卡尔曼/粒子组合滤波方法的估计性能与粒子滤波相当,但计算复杂度前者要低得多。

火星进入段自主导航技术研究现状与展望

基于国际上成功着陆的火星探测任务和未来火星着陆探测技术的发展需求,阐述了火星进入段自主导航的必要性。首先总结了火星进入段自主导航技术的研究现状与发展趋势,随后分析了火星进入段自主导航的特点以及所面临的挑战,并概括了火星进入段自主导航所涉及的关键技术。最后对我国未来火星探测任务进入段的自主导航技术发展方向进行了展望。

火星精确着陆制导问题分析与展望

美国火星科学实验室(MSL)任务成功将"好奇"号火星车着陆到火星表面,开创了火星精确着陆探测的新局面。以MSL着陆任务为典型代表,分析了目前火星着陆探测进入、下降和着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)过程的制导方案及制导系统的发展趋势。以在火星高海拔、复杂地形区域定点着陆为潜在工程目标,归纳了火星EDL过程面临的制导主要问题。根据未来制导系统自主性和自适应性的技术需求及潜在工程任务制导面临的问题,提出了火星EDL制导方面需要解决的关键技术,并对其在未来工程中的应用潜力进行了展望。

基于三维地形匹配的月球软着陆导航方法研究

针对月球探测器定点着陆任务的需要,研究了基于三维地形匹配的导航方法。对三维地形匹配问题,将高程方差图局部极值点作为三维地形特征,在构建地形特征之间的相对位置与角度不变量的基础上,提出了基于投票的三维地形匹配策略。针对测量噪声统计特性的不确定性,将Sage-Husa噪声估计算子与迭代卡尔曼滤波相结合,通过对测量噪声进行在线估计有效避免滤波精度下降甚至滤波发散的出现。数字仿真结果表明所研究的导航方法能够有效地实现探测器相对位置和姿态的精确估计。

小天体软着陆自主光学导航与制导方法研究

针对小天体软着陆任务自主性、实时性的需求,对软着陆小天体自主导航与制导问题进行了研究。提出了一种利用激光测距仪和光学导航相机跟踪目标着陆点的自主导航方案,利用测距矢量以及目标点之间的几何关系,确定着陆平面法向方向和目标点位置。分析期望的探测器下降轨迹特点,给出了一种基于制导变量的脉冲控制制导律,通过对目标点视线与着陆平面法向矢量之间夹角的控制,将软着陆小天体控制分解为切向控制与法向控制两部分。最后,通过数学仿真对自主导航制导系统的性能进行了验证,结果表明该方法能够满足垂直软着陆的任务需要,实现高精度软着陆。

火星大气进入段通信“黑障”问题研究综述

针对我国未来可能实施的火星着陆探测任务需求,在对国外成功着陆火星的探测器大气进入段通信"黑障"现象作了简要回顾的基础上,对火星大气进入段的"黑障"成因及其对通信的影响进行了分析,进而概括提出了解决火星大气进入段通信"黑障"问题所面临的关键技术,并对相关技术的研究现状进行了简要介绍,最后对我国未来火星探测的发展提出了几点建议。

基于自调整粒子滤波的组合导航方法研究

在非线性模型非高斯噪声条件下,标准粒子滤波在组合系统的观测精度较低时能取得较好的滤波效果,但在高观测精度情况下会导致滤波发散。该文针对这一问题,提出一种自调整粒子滤波方法,根据观测噪声的统计大小,自适应调整似然分布的形状,使之与先验分布重叠的区域更大,有效提高滤波稳定性。将自调整粒子滤波算法应用到组合导航系统中,并在非高斯噪声、观测信息由低观测精度跳变到高观测精度条件下进行了仿真研究,结果表明,该自调整粒子滤波算法在组合导航系统具有高观测精度的情况下依然保持了滤波精度和稳定性。

小天体附近轨道动力学与控制研究现状与展望

小天体探测是未来深空探测的重点领域之一,而小天体附近轨道动力学与控制问题是小天体探测任务迫切需要解决的关键问题.该问题涉及形状不规则小天体附近的动力学环境建模与小天体附近轨道动力学机理.本文从不规则形状小天体引力场的建模、小天体附近的自然轨道动力学、小天体附近的受控轨道动力学3个方面综述了小天体附近轨道动力学与控制的研究现状与发展趋势,并分析了小天体附近轨道动力学所面临的挑战与难题,最后对我国未来小天体探测任务可能涉及的轨道动力学与控制问题的发展方向进行了展望.

小天体自主软着陆脉冲机动控制方法研究

由于小天体自旋速度、引力场等动力学参数存在着较大的不确知性,为了实现高精度软着陆小天体,着陆控制方法应具有较强的自主性和鲁棒性。针对以脉冲机动方式软着陆小天体的控制问题,提出了一种自主的闭环控制方法。该方法根据名义的动力学参数设计探测器离轨速度,将探测器引向目标着陆点,并在最终接近段,采用势函数制导法确定每次制动的时刻以及制动速度脉冲的大小、方向。最后,通过数学仿真对自主制导控制系统的性能进行了验证。结果表明该控制方法可以有效地抑制动力学参数不确知性和各种干扰的影响,实现高精度软着陆。

基于可观测性分析的深空自主导航方法研究

基于可观测性分析,研究了不同观测模型下的深空自主导航算法。从非线性系统的可观测性分析出发,利用微分几何理论求解出系统的可观测矩阵,并给出了系统的可观测度定义和状态变量的可观测度分析方法;将其应用于深空自主导航系统,分析了不同观测模型下导航系统以及轨道参数的可观测度,并将其作为观测模型的选取准则;根据可观测性分析结果,结合非线性扩展卡尔曼滤波,建立了不同观测模型对应的自主导航算法。最后,以深度撞击任务的实际飞行数据对文中的自主导航算法进行数值仿真,验证了导航系统可观测度与系统状态估计精度之间的关系,结果表明本文提出的可观测性分析方法是可行的。

极大似然法及在有控飞行器气动参数辨识中的应用

一、引言 飞行器气动参数辨识作为系统辨识理论在航空、宇航领域的应用分支,在一些发达国 家受到了相当的重视,并且从70年代以来已形成了气动参数辨识软件包,不仅缩短了飞行器的设计、改型及性能分析的周期,并且还具有靠风洞实验或理论分析所不具备的优点。目前飞行器的气动参数辨识虽已有很大发展,但是对有控飞行器的闭环辨识问题仍未解决,分析传感器非线性因素对气动参数辨识结果的影响也不够深入。本文使用极大似然法,结合某有控飞行器的全弹道仿真数据,研究了在闭环飞行状态下进行气动参数辨识所存在的问题,分析了传感器的非线性因素对气动参数辨识的影响。

月壤力学参数在线估计算法研究

提出了一种基于Guass-Legendre数值积分法和Newton迭代法的新的月壤力学参数估计算法;首先分析行驶在月壤环境下的月球车刚性驱动轮的力/力矩情况,推导出用于力学参数的求解模型;然后采用两点Guass-Legendre数值积分法对模型进行简化;最后结合Newton迭代法和最速下降法求解非线性方程组,依据虚拟六维力/力矩传感器和其它车载传感设备的输出计算出月壤关键力学参数内摩擦角和压陷系数;仿真实验显示该方法是正确和有效的,在高噪声干扰下依然具有较高的准确度,并且该方法具有低计算复杂度,适于月球车进行在线地形参数估计。

基于联合卡尔曼滤波的多传感器信息融合算法及其应用

针对常规卡尔曼滤波器在处理多传感器组合系统的数据时，存在计算量大和故障数据相互污染的问题，提出了一种应用联合卡尔曼滤波技术进行多传感器信息融合，以求得参数最优估计的方法。文中首先对联合卡尔曼滤波的基本原理和４种主要结构方式进行了论述和分析，然后给出了融合算法的实现，最后以多传感器组合导航系统为例，对其进行计算机仿真。结果表明：该方法可有效提高计算的精度和可靠性，具有较好的容错性和环境适应性，有较高的工程实用价值。