月球探测器鲁棒环形山检测及光学导航方法

针对月球探测器环形山检测方法受光照影响、鲁棒性差的问题,本文提出一种基于极大熵阈值三值化的鲁棒环形山检测算法。采用不同滤波核对图像进行去噪平滑,然后对处理后的图像进行极大熵阈值分割、将图像信息三值化,去除图像对光源的敏感性,同时最大程度保留图像信息;提出一种归一化多指标约束环形山匹配和拟合方法完成环形山提取,将环形山提取算法应用于光学导航中进行打靶实验验证算法实时性表现。仿真结果表明:与传统基于形态学或自适应边缘检测的方法相比,本文方法在较大尺度条件下提取出连续、光滑的环形山边缘,有效环形山数量提升35%以上,同时实时性更好、计算消耗降低40%;基于鲁棒环形山提取的光学导航算法实时性更好。

美国商业公司的月球探测器成功着陆月面

2024年2月23日,美国直觉机器公司(Intuitive Machines)的“奥德修斯”(Odysseus)着陆器在月球南极附近的马拉柏特A(Malapert A)环形山软着陆,成为全球有史以来首个着陆月球的商业探测器,以及美国自“阿波罗”计划结束50多年以来首个着陆月球的探测器。

月球探测器软着陆动力学仿真

随着深空探测技术的发展,新型月球探测器需要在遍布石块、陨石坑和斜坡等复杂月球表面上着陆,因此有必要对月球着陆探测器的着陆性能进行评估。本文对一种四腿可展开式着陆器进行了合理简化,并用AD-AMS软件建立了着陆动力学仿真模型。模型中应用子程序表达缓冲铝蜂窝和月壤的力学性质,通过在预研着陆器的仿真模型上加载,实现了系统的仿真;并得到了月球探测器以给定姿态和着陆速度在不同地面坡度和月壤物理特性下的着陆性能及一般规律,对我国月球探测器软着陆动力学研究具有一定参考价值。

月球探测器返回轨道快速搜索设计

结合月球探测器返回地球的工程需求多约束背景,在双二体模型的假设下建立了一套理论解析模型,并采用二分法的搜索算法,快速实现了满足多种约束条件下的月地返回轨道设计。文中给出的搜索算法及流程快速有效,其结果可为轨道的精确设计提供良好的初值,对于要求返回的月球探测器设计工程任务具有一定的理论指导意义和应用价值。

月球探测器软着陆机构展开动力学仿真分析

可展开的软着陆机构是月球探测器的重要组成部分。以带间隙的多体系统动力学理论为基础,针对一型采用四支撑悬臂式软着陆机构的月球探测器在ADAMS中建立了虚拟样机模型,分别就主着陆腿系统结构柔性,主着陆腿与基体连接间隙,展开驱动力及探测器自旋等因素对软着陆机构展开过程的影响进行了仿真分析。结果表明,在机构展开锁定瞬间由于结构柔性会产生难以衰减的振动,而间隙在一定程度上有利于该振动衰减。展开驱动力越大,展开越快,锁定激振振幅越大,但由展开进入稳定状态所需总时间可更短。探测器自旋则有助于机构的展开,但自旋速度较高时对结构振动有明显影响。该结果可为软着陆机构展开方案的设计提供帮助。

月球探测器软着陆冲击力学环境研究

针对我国月球探测二期工程中将会遇到的月面软着陆任务,分析探测器的着陆冲击力学环境。提出一种适用于探测器方案设计阶段的着陆冲击力学环境预示方法:利用探测器着陆稳定性试验中测得的缓冲机构作用力作为激励,采用有限元方法求解系统的动力学响应;采用加速度响应的冲击响应谱描述探测器着陆冲击力学环境;用响应谱的包络加上一定的安全系数来确定探测器着陆冲击的最大期望环境。对某探测器的具体分析表明:由于着陆缓冲机构的缓冲特性,软着陆冲击力学环境的能量主要集中在接近准静态的低频段,而在高频段没有比运载发射阶段力学环境更严酷。因此在低频段需要设计专门的试验标准来考核设备。

月球探测器返回轨道特性分析

对月球探测器的返回轨道进行了建模与特性分析。在三维空间中建立了返回轨道的数学模型;对模型进行仿真分析得到从月球影响球东经80°出口的返回轨道最省能量等结论;根据模型及其特性给出初步轨道的算例,并以此结果为初值,在已有高精度动力学模型下搜索计算,较快地得到了精确轨道;通过两条轨道参数及空间形状的对比,证明文中解析方法的正确性。

月球探测器软着陆机构发展综述

综述了月球探测器软着陆机构的发展概况;分析了国际上月球探测器软着陆机构的结构组成、工作原理及特点。对不同展开机构和缓冲器特点进行了分析,预测了月球探测器软着陆机构的发展趋势。

月球探测器转移轨道的中途修正

月球探测器的中途制导指的是在其转移轨道中途对轨道进行修正 ,使其按预定轨道飞行。本文研究的中途修正问题是确定所需的速度修正脉冲 ,使探测器不断接近标称轨道 ,并以预定状态到达月球 ,完成预定的飞行任务。本文首先建立中途修正的模型 ,其中月球和太阳的位置由 DE4 0 5得到。然后 ,采用精确的数值积分方法找出满足预定条件 (近地点高度、近月点高度及转移时间 )的转移轨道 [1 ] 。以该轨道作为标称轨道 ,分析中途修正所需要的速度修正脉冲与发射入轨时的初始误差 (近地点速度误差、入轨高度误差、发射窗口误差等 )和修正时刻的关系。最后分析两次中途修正的速度修正脉冲和修正时刻的关系 ,并得出适合的中途修正时刻。

地面站对月球探测器的导航

针对一个从地球停泊轨道出发绕地月飞行的月球探测器 ,讨论地面站对月球探测器导航的几个问题 ,包括观测方式的选取、地面站的分布、制导点的调整、导航精度等。结果表明仅依靠局域的地面站 ,采用测距的方式 ,可以对探测器进行实时导航。

月球探测器力学环境研究及试验条件制定

相对于传统航天器,月球探测器所经历的某些力学环境具有特殊性,需要有针对性地开展研究并进行相应的环境模拟试验。文章分析了月球探测器力学环境在不同飞行阶段中的特点,对比较特殊的着陆冲击环境和颠簸振动环境分别开展了重点研究,并提出了相应的环境模拟试验条件制定方法。对于着陆冲击环境,采用以加速度试验条件、正弦振动试验条件、随机振动试验条件和冲击试验条件分频段等效包络的方法制定试验条件;对于颠簸振动环境,采用道路模拟试验台模拟颠簸能量的方法制定试验条件。所提出的方法已成功应用于嫦娥三号和嫦娥五号月球探测器的研制过程中,并通过了嫦娥三号月球探测器实际飞行验证。

蜂窝材料率相关本构模型及其在月球探测器中的应用研究

蜂窝材料是探测器缓冲装置中使用最多的缓冲介质之一,研究其力学特性对探测器缓冲器及上升器月面起飞稳定性设计具有重要意义。首先分析了蜂窝材料面内面外等效力学特性,在考虑蜂窝结构率相关特性的基础上,建立了蜂窝结构横观各向同性率相关本构模型;其次,基于有限元法编写了横观各向同性率相关本构模型用户子程序,并验证了其可靠性;最后,以四腿悬架式探测器为研究对象,研究了不同率敏感系数对探测器着陆过程的影响。结果表明:随着率相关系数的增加,缓冲器吸收的能量先增大再减小,当率相关系数为0.6时最大;探测器的最大冲击加速度一直增大,且当率相关系数较大时,最大冲击加速度增长速度较率相关系数较小时要大。

月球探测器重力转弯软着陆的最优制导

对于月球表面重力转弯软着陆过程 ,应用极大值原理研究了最优制导律 ,证明了其在着陆过程中不存在奇异状态 ,并且至多进行一次开关切换 .最后 。

基于联邦UKF算法的月球探测器自主组合导航

研究了月球探测器在地-月转移轨道阶段的自主导航方法,提出了利用地月位置信息和星光角距测量信息实现探测器自主组合导航的方案。针对导航系统的状态方程非线性的特点,将Unscented卡尔曼滤波算法和信息融合技术相结合,设计了新的联邦滤波器并应用于自主导航系统中。对这种导航方案进行了数值仿真,和传统的联邦滤波算法进行了比较。仿真结果表明,所提出的组合导航方法和联邦滤波算法的导航位置估计精度约为1km,速度估计精度约为0.01m/s,并且具有良好的鲁棒性和容错性能。

月球探测器软着陆精确建模及最优轨道设计

针对探测器月面软着陆问题,在考虑月球自转的基础上建立了月球探测器在三维空间飞行的精确动力学模型。以燃耗最优为指标,利用Pontryagin极大值原理,得到了发动机推力开关曲线和推力方向角的最优控制律。综合考虑落点位置和速度约束求解两点边值问题,得到了探测器软着陆的最优轨线。仿真研究表明本文建立的精确动力学模型相对于不考虑月球自转的动力学模型可以有效提高探测器落点位置精度。

月球探测器转移轨道的特性分析

主要分析了月球探测器由近地点出发,在假定末端条件不变的情况下,其转移轨道的特性参数对初始条件和变轨所需的速度脉冲等的影响;考虑的特性参数的变化包括转移轨道倾角的变化,近地点高度的变化和转移时间的不同.

从地面发射月球探测器的窗口选择

典型的月球探测器飞行轨道包括地球停泊轨道段、地月转移轨道段、月球卫星轨道段和着月轨道段 .首先介绍了设计从地面发射月球探测器轨道典型的约束条件 ;然后 ,借助于二体假设 ,建立解析表达式 ,分析各种约束对窗口选择的影响 ,给出了各轨道段概略的飞行时间和粗窗口 ;最后 ,利用精确的探测器轨道动力学模型 ,计算精窗口 ,并给出了一则算例 .所得结论可为月球探测器轨道发射、轨道设计提供依据 .

月球探测器发射机会分析

发射月球探测器实际上是使探测器与月球交会的问题,由于月球位置的变化,选择不同的交会日期相应的地月转移轨道是不相同的。文章分析了月球在一个恒星月内位置变化与相应的地月转移轨道升交点赤经和近地点幅角变化的关系,在这个基础上讨论了发射机会和发射窗口问题。

月球探测器直接软着陆最优轨道设计

研究月球探测器直接软着陆最优轨道的设计问题。首先根据探测器直接软着陆的特点,提出了有限推力最省燃料的最优轨道设计问题;然后利用有限推力月面软着陆的最优推力控制方向的计算公式,研究了边值条件和计算方法;最后通过直接软着陆最优轨道的算例及结果分析,发现开始制动高度越低越省能量;推力方向可变时比不可变时节省能量;推力大小可变相当于采用了多级制动,对安全定点着陆非常有利。

月球探测器电推进系统的应用研究

介绍了月球探测器推进系统概况,比较了国外两种典型月球探测器电推进系统。在我国首个月球探测器"嫦娥1号"推进系统基础上,参考日本LUNAR-A月球探测器、欧洲SAMART-1月球探测器的推进系统组成,提出一种月球探测器电推进系统方案。对该方案进行了初步的分析计算,结果表明了该方案的可行性以及可实现降低推进剂消耗量、增加有效载荷的优越性。