一种6-DOF小行星着陆轨迹序列凸优化方法

针对6自由度的小行星动力着陆多约束轨迹优化问题,提出了一种基于序列凸优化的小行星着陆轨迹优化算法。首先采用多面体引力场模型计算小行星的引力场,其可用于描述任意形状的小行星引力场,且比质点群法和球谐函数展开法等方法计算精度更高。为了在凸约束下解决小行星着陆过程燃料消耗最优问题,通过对探测器动力学模型及其约束进行线性化和离散化,将原来的非凸连续时间优化问题转化为凸化的子问题,即二阶锥规划问题(SOCP);然后引入了虚拟控制项和信赖域,以增强算法的鲁棒性。通过在形状不规则小行星上的着陆模拟,验证了所提出算法的有效性,仿真结果满足各项约束条件,可实现高精度着陆和燃料消耗最优的目标。

基于特征跟踪辅助的小行星着陆先验位姿纠正

针对小行星着陆视觉导航过程中可能出现的先验位姿不准确场景,提出一种基于特征跟踪辅助的位姿估计方法。利用先验位姿信息和三维导航特征数据库实时生成导航特征,并利用手工与深度特征联合的多特征判别式相关滤波跟踪导航特征在导航相机影像中的位置,进一步利用平均峰相关能量筛选出可靠的跟踪结果用于位姿初步估计,基于该初步估计的位姿重新生成导航特征,并使其与导航相机影像做归一化相关匹配,该过程将在可微分的列文伯格−马夸尔特框架中基于归一化相关系数约束来实现位姿优化。利用“冥王号”(Origins,Spectral Interpretation,Resource Identification,and Security-Regolith Explorer,OSIRIS-REx)任务的影像、地形和星历数据进行位姿估算实验,结果表明:在先验位姿不同程度噪声的干扰下,提出算法的位姿估计重投影误差均为亚像素,在距离小行星表面1 km处,位置估算误差在2 m以内,姿态估算误差在1°以内,可有效纠正不准确的先验位姿。

行星着陆探测中的动力学与控制研究进展

着陆探测是获取行星特性和科学数据最直接、最有效的途径,也是目前技术难度最大、最为复杂的探测方式。在行星着陆探测过程中,动力学与控制是影响任务成败的关键因素之一。文章首先分析了行星着陆探测动力学与控制研究所面临的挑战与难题;然后,针对火星和小行星的着陆探测,重点分析了火星着陆进入段和下降段所涉及的动力学与控制,小行星附着探测动力学建模与制导控制的研究现状与关键问题;最后,提出了我国在行星着陆探测动力学与控制领域的未来重点发展方向。

采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法

针对缺少行星表面陆标位置和探测器初始状态等先验信息情况下行星着陆导航问题,提出一种采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法。首先,利用行星表面陆标的双目视觉测量信息建立相对导航坐标系并计算陆标在相对导航坐标系下的位置,然后利用基于奇异值分解(SVD)的优化方法得到探测器在相对导航坐标系下的初始状态估计,最后利用陆标的视觉测量信息估计探测器在相对导航坐标系下的位置、速度和姿态。以火星着陆为例进行数学仿真分析,仿真结果表明本文提出的方法是有效可行的。

行星着陆轨迹优化技术研究进展

针对行星大气进入、动力下降过程动力学环境及约束条件等进行了分析,回顾了近年来行星着陆轨迹优化的研究现状。在此基础上,结合行星着陆轨迹优化技术在动力学特征、约束条件、不确定环境方面的特点,从非线性动力学的等价/近似变换技术、复杂约束条件下的最优轨迹快速求解技术、不确定条件下的能控/能达性分析技术三个方面,对行星着陆轨迹优化的关键技术进行了梳理。

小行星着陆器锚系统及其实验研究

针对小行星表面着陆器容易反弹及飘走的难题,设计了一种将着陆器锚固在小行星表面的锚系统。基于小行星特点,对锚系统设计方案进行了分析,选择"链式锚固方式"作为本研究的锚系统方案。基于该方案对锚系统进行了设计,其包括锚固单元、缠绕单元、解锁单元、线绳单元及电气控制单元。对锥形锚尖的侵彻深度进行了研究。经过在冻土介质中的侵彻/锚固实验及气浮微重力环境下的拖拽实验,证明该锚系统具有微重力环境下对小行星着陆器进行锚固及拖拽的基本功能。

小行星着陆装置着陆动力学及着陆性能分析

小行星着陆装置实现着陆器在小行星表面的着陆,其动力学及着陆性能研究对着陆装置研制具有重要意义.基于三腿式小型着陆装置,在对其结构特点及着陆策略分析的基础上,采用Lagrange方程建立了二维着陆动力学模型,模型对着陆及翻转阶段的动力学特性进行了描述,其计算结果与仿真验证较为接近且具有一致的变化趋势.在最大允许倾角为30°的着陆面上,采用仿真分析方法对着陆装置在不同着陆速度及偏航角下的着陆性能进行了统计分析,结果表明着陆装置具有良好的着陆性能.

美国梦神号行星着陆器原型系统发展及启示

详细介绍了美国梦神号行星着陆器原型系统的发展情况,包括任务实施背景、着陆器平台及关键技术发展、试验测试结果以及新型研制模式等,分析了梦神号快速取得自由飞行、避障着陆等成果并具备良好后续发展前景的原因,结合我国实践,提出了小风险换大成果、有效继承已有基础、发展路线多样化以及重视与非传统伙伴合作互动等几点启示,可为我国载人深空探测发展规划及技术预先研究提供参考。

行星着陆自主导航地形特征综合优化方法

针对行星着陆光学导航方案优化问题,提出了一种基于可观测度的导航地形特征综合优化方法。该方法首先利用星表形貌图像信息建立不同几何特性特征的测量方程,基于可观测度矩阵和Fisher信息矩阵分析导航系统的可观测度和估计误差下限,揭示特征位置和数量与导航系统性能间的关系,在此基础上以导航系统可观测度和估计误差下限为评价指标分别对随机分布导航地形特征点,直线和曲线进行优化选取,最后综合对比分析了利用不同特征点,直线和曲线对导航方案性能的影响,并通过仿真验证了相关结论。

行星着陆自主导航与制导控制研究现状与趋势

行星着陆自主导航与制导控制技术是行星着陆过程的核心技术之一,关系到行星着陆任务的成败。本文基于未来火星和小天体着陆对自主导航与制导控制技术的发展需求,阐述了进一步开展自主导航与制导控制研究的必要性,围绕行星着陆过程环境特点,分析了自主导航与制导控制技术所遇到的挑战,随后概括了行星着陆自主导航与制导控制所涉及的关键技术,并综述了关键技术的研究现状。最后对我国未来行星着陆探测自主导航与制导控制技术的发展方向进行了展望。

行星着陆动力下降段相对视觉导航方法

针对行星着陆动力下降段视觉导航自然路标匮乏的问题,提出了一种相对视觉导航方法。该方法利用相机和雷达的测量信息构建相对导航坐标系并求解随机视觉特征点在该坐标系下的位置矢量,利用求解得到的特征点为导航参考,设计相对导航系统,估计着陆器在相对导航坐标系下的位置、速度及姿态信息。同时,构建可观性矩阵,解耦分析位置和姿态的可观性。通过可观性分析可知利用相对导航坐标系下的一个随机特征点即可实现着陆器全状态可观。最后通过仿真分析着陆器状态误差,验证了可观测度理论分析及导航性能。该相对导航方法无需行星地形数据库,且可以实现着陆器全状态的高精度估计,满足行星精确软着陆的需求。

行星着陆大气进入段自适应滑模抗扰控制方法

针对行星探测器着陆过程可能存在的干扰影响着陆精度问题,提出了一种抗干扰控制方法。首先建立行星探测器着陆控制模型,利用非线性干扰观测器实现对系统外部干扰的估计;在此基础上提出一种自适应滑模控制律,使得系统状态快速收敛到平衡点附近。最后,将该方法应用于火星着陆场景进行仿真。结果表明,提出的自适应滑模控制方法能够在未知扰动存在的情况下,有效实现行星探测器安全着陆,提高着陆任务的成功率。

小行星着陆段自主轨迹分段规划方法

大多数小行星的形状都是不规则的,其附近的引力场十分复杂。且小行星所处的环境未知,这就导致小行星附近的飞行任务变得极其困难。而在远离地球的深空,又存在着通信延迟、环境不确定等问题,着陆过程中需要赋予探测器自主轨迹规划的能力。以小行星自主着陆为研究对象,利用分段规划的方法对小行星着陆段轨迹进行求解。采用多面体模型近似小行星的引力场,在此基础上对小行星动力学进行分析。运用RRT算法对导航点序列进行初步规划,再利用最优控制原理对导航点之间的轨迹进行精确求解,最终实现探测器在小行星着陆段的自主轨迹规划。

行星着陆——推进下降过程的建模与控制(英文)

登陆火星或月球时,释放降落伞后进入推进阶段,通过轴向推力倾斜实现水平方向运动,能够与速度矢量(重力)的相反方向一致或与需要的加速度方向保持一致.后一种策略能实现精确着陆,在该策略下,倾斜角(俯仰角和偏转角)与水平加速度成正比.这种策略并未采用以水平加速度为姿态控制目标的递阶导航与控制方案,而是基于角加速度对位置作用的四阶动力学特性设计了一个独特的控制系统.除去倾斜角的非线性因素(垂直制动规定的轴向推力)后,系统综合动力学方程能够实现(准)输入-状态线性化.论文同时表明:一方面,基于参考轨迹(倾斜角和位置)的控制器设计仅能实现部分输入-状态线性化;另一方面,系统的内部稳定性可以证明.即使存在不可镇定的外部干扰动力学模态时,仍能确保系统稳定性.蒙特卡洛仿真验证了闭环控制策略的有效性.

小行星着陆附着系统弹射机构设计

小行星弹射着陆附着系统弹射机构用于将锚装置以一定初速射向小行星表层,从而实现着陆器在小行星表面的有效固定。弹射筒与延时作动器组成了一个火工弹射机构,弹射筒将锚装置以一定的速度弹出;延时作动器是锚装置的重要组件,采用机械式触发,用于在锚装置射入小行星表面以后延时将锚装置内部机构强力展开,起到增大锚装置附着力的作用。弹射机构弹射锚装置相对于弹射锚装置配质量的弹射速度大幅下降,是由于延时作动器的延期针刺雷管工作后产生高压燃气,推动延时作动器的推杆反向撞击弹射筒活塞,与活塞形成了一个类似于"空气弹簧"造成的。通过增加延时作动器卡箍的方式将推杆击发雷管后锁住,达到防止反弹撞击活塞降低弹射速度的目的。该设计方式对弹射机构的内部结构设计提供了一种新的思路和方法。

复杂行星表面着陆避障增广曲率制导方法

针对复杂行星表面安全着陆问题,提出避障增广曲率制导方法。在基本曲率制导律的基础上引入障碍规避增广项。该方法利用着陆器着陆空间区域划分的思想,在障碍附近易发生碰撞区域建立膨胀预警区,基于膨胀预警区推导连续解析的障碍规避制导律,在满足几何凸轨迹状态约束的同时,考虑着陆器与障碍的相对位置关系,能够快速引导着陆器远离障碍,提高着陆器着陆过程中的安全性。仿真结果表明,该方法能够有效规避复杂行星表面的地形障碍,实现在行星表面定点软着陆,具有良好的灵活性和可靠性。

考虑斜坡约束的固定时间行星软着陆制导律设计

针对行星探测动力下降段的反馈制导问题,通过引入斜坡约束对着陆轨迹进行约束,应用滑模控制理论和固定时间控制理论,提出了一种固定时间精确软着陆制导方法。首先,根据斜坡约束,定义了约束边界函数,并利用该函数设计了非线性滑模面,不仅保证了系统状态沿滑模面收敛时是固定时间稳定的,还保证了系统状态不会违反斜坡约束。通过引入光滑连续的切换滑模面,避免了滑模面的奇异问题。其次,设计了固定时间制导律,保证了滑模状态能够在固定时间内收敛到零,利用Lyapunov方法证明了系统的稳定性,并分析了在所设计制导律作用下系统状态不会违反斜坡约束。最后,通过数值仿真算例验证了所提算法的有效性以及鲁棒性。

行星动力下降多约束最优反馈制导方法

为实现行星定点着陆,针对E制导和零控位移偏差/零控速度偏差(ZEM/ZEV)制导的不足,提出多约束下动力下降最优反馈制导方法。首先,在分析E制导性质的基础上,提出制导时长初值的高效选取方法和基于预测校正的优化方法,经少量迭代实现在推力范围受限且连续变推力约束下推进剂消耗接近最优。接着,提出基于碰撞规避时长和推力优化分配律的地平碰撞规避方法,并在此基础上利用坐标系旋转,给出满足下滑角约束的碰撞规避方法,显著提高碰撞规避能力和着陆点可见性。之后,提出匀速转动制导和基于预测校正的组合制导参数规划方法,使制导终端扩充满足加速度约束。最后,数学仿真表明新方法有效,多约束适应性强,计算量相对小,适合工程应用。

探测器软着陆小行星的自适应超螺旋控制

针对探测器软着陆小行星的轨道控制问题,本文提出了一种基于自适应超螺旋算法的控制方法,避免了传统滑模控制的高频抖振,并且结构简单、无需已知外界扰动时间导数的上界。首先,将软着陆的轨道控制问题描述为一类非线性系统的镇定问题。其次,基于球谐系数法表示的小行星引力场模型设计前馈控制律,将系统解耦为三个滑模函数的一阶子系统。然后,针对每个子系统设计自适应超螺旋控制器,并证明闭环系统的稳定性。最后,将本文提出的控制方法与传统的自适应滑模控制进行了对比仿真,结果表明,所提出的算法能使系统更快地收敛到滑模面上,同时有效抑制抖振效应。

基于H∞滤波技术的小行星软着陆光学惯性组合导航方法研究

针对Kalman滤波技术在应用于软着陆小行星光学惯性组合导航系统过程中所存在的诸多问题，考虑系统存在的建模误差和外界干扰不确定因素，将H∞范数引入到滤波问题中，构建H∞滤波器，并将所得结果应用于小行星软着陆光学惯性组合导航系统中。仿真结果表明，与Kalman滤波技术相比，基于H∞滤波技术的小行星软着陆光学惯性组合导航系统在保证相对较高导航精度的同时，极大地改善了系统的鲁棒性和可靠性。