月球和火星探测任务捕获制动控制技术方案对比

地外天体捕获制动过程是实现载人月球、火星等深空天体探测任务的关键步骤之一,捕获制动控制误差影响极大,捕获效果直接决定着整个任务的成败。对国内外月球和火星天体捕获制动过程的控制技术进行了调研,对捕获制动策略进行了分析和对比,为我国相关探测任务的捕获制动控制系统的设计提供参考。

基于粒子群优化的月球捕获制动方法研究

在给定燃料下,探测器被月球引力捕获并精准进入绕月轨道是月球探测任务中需要考虑的重要问题之一。针对固定推力制动策略,以最终绕月轨道偏心率以及最终绕月轨道近心点高度为约束,以燃料消耗为性能指标,使用粒子群算法进行月球捕获过程的轨道优化,仿真整个捕获制动过程。结果表明,在粒子群优化算法框架下,使用固定推力方向制动策略进行捕获制动,得到的捕获轨道能够很好的满足所有终端状态约束,并且能够优化燃耗。此外,采用的固定推力方向制动策略易于实现,对控制系统要求较低。将粒子群优化算法应用到固定推力方向捕获制动策略中,可避免复杂的方程分析,整个系统简单有效,具有一定的工程实用性,可为我国月球探测轨道设计提供参考。

采用有限推力的火星捕获制动策略

针对火星探测的捕获制动问题,建立了描述推力沿速度反方向、推力方向固定和推力匀速转动3种制动策略的有限推力模型。以消耗的燃料质量和入轨近火点的高度误差为双目标,利用多目标粒子群算法优化控制参数,得到多目标问题的Pareto非劣解集和Pareto前沿。仿真校验时采用均匀设计法初始化种群,发现推力沿速度反方向时捕获效率最高;方向固定时近火点高度误差小;推力匀速转动会抬升近火点高度,但推力方向与速度反方向夹角小,燃料消耗较少。推力方向匀速转动的策略可以作为优先选用的策略,当出现故障需紧急制动时可启用推力沿速度反方向策略,控制探测器先被火星捕获。仿真表明双目标优化可比燃料最优的单目标提供更全面的决策信息,有助于确定设计方案。

月球捕获制动和远程交会一体化制导算法

为实现载人登月任务中载人飞船在固定的时间内以最少的燃料消耗完成与登月舱的全相位降轨远程交会,研究月球捕获制动和快速降轨远程交会一体化制导的问题.基于Lambert变轨,综合考虑捕获制动及远程交会过程的时间约束、速度增量约束和终端约束等,设计出多脉冲捕获制动和远程交会一体化制导规划模型,并利用遗传算法和单纯形算法相结合的混合遗传算法对规划模型进行求解.通过仿真算例对混合遗传算法、遗传算法和单纯形算法进行比较,表明混合遗传算法在提高求解质量方面的优越性.进一步,对捕获制动时载人飞船和登月舱在固定相位下的不同制导时间和固定时间下的不同初始相位的情况进行了对比分析和打靶仿真,表明所提出的月球捕获制动和远程交会一体化制导算法的强适应性.

航天器捕获制动过程的质量特性在轨辨识方法研究

针对航天器系统质量、质心位置和惯性矩阵的在轨辨识问题提出一种解决方法:将系统所有未知参数以组的形式进行划分,每组未知参数都可以转化为线性表示形式,从而将一个非线性系统的参数辨识问题转化为若干个线性的子参数辨识问题;用递推式最小二乘法对每个子参数辨识问题进行求解,在对某组参数求解时所需的其他未知参数则用其估计值代替。通过该方法可将复杂非线性系统转化为若干线性系统实现系统参数在轨辨识。通过数值仿真对采用推进器激励的航天器的总质量、质心位置和惯性矩阵进行辨识,验证了方法的有效性。

“天问一号”火星探测器制动捕获最优点火姿态设计

针对中国首次自主火星探测任务“天问一号”(Tianwen-1)的火星捕获制动期间点火姿态设计最优化问题,提出了整器约束条件下的分析思路和解决方法。首先建立捕获阶段的轨道动力学模型,根据捕获前轨道和捕获后的目标轨道以燃料消耗最少为优化目标,使用牛顿迭代法寻优解出轨道平面内最佳的推力方向和点火时刻,得到推力矢量。再结合探测器的光照、测控约束条件,确定了绕推力方向的偏转范围。最后参考星敏感器布局,对全过程不同偏转角度下星敏受天体遮挡情况进行分析,计算出星敏可用台数以及可用时长,按照可用时长最优的原则确定出最优的点火姿态。在轨实际制动捕获结果表明,轨控后半长轴偏差小于947.122 km(半长轴变化量102346.152 km),偏心率偏差小于0.0021,同时全程满足整器测控、光照的需求,捕获全过程中保持任意时刻至少有2台星敏可用,根据遥测结果对比星敏的可用时段仿真误差小于0.225 h。

火星探测器制动捕获策略研究

针对火星探测器制动捕获问题进行研究,通过对火星探测器捕获问题的动力学建模、典型工况数值仿真,对3种典型的直接捕获策略:定向捕获、匀速捕获、变速捕获进行比较、分析,系统地总结了3种捕获策略的优缺点,得到变速捕获推力器燃料消耗低,但需要实时速度信息等结论。进一步地,通过数值分析点火时刻对制动捕获效果的影响,发现探测器最优点火时刻为到达近火点前制动耗时一半左右所对应的时刻。为实现特定捕获过渡轨道,设计了基于ZEM/ZEV闭环制导的捕获策略。通过与变速捕获对比表明:所设计捕获策略的制动效果与变速捕获相当,且能满足特定的末端位置/速度约束,可为实际任务提供一种备选方案。

火星探测器制动捕获多目标优化策略

本文提出了一种基于动态加权算法的火星探测器制动捕获多目标优化策略,该策略在火星探测器制动捕获过程中同时考虑制动目标轨道精度和燃料消耗,相对于传统的捕获策略,具有同等运算量下更易收敛到最优解的优势.本文以制动推力方向沿火星探测器速度反向的制动捕获方法为例,首先,描述了有限推力下火星探测器的制动捕获问题,然后,针对优化模型的非线性动态耦合特性,研究了基于自适应参数调整的动态PSO算法,最后,应用动态PSO算法和动态加权算法,设计了火星探测器制动捕获多目标优化策略.仿真分析表明,相比于传统的单目标优化策略,本文设计的火星探测器制动捕获多目标优化策略,不仅能够满足精度要求,而且更容易得到燃料相对最优值,减少燃料消耗.因此具有一定的研究和应用价值.

火星引力捕获动力学与动态误差分析

火星探测的制动捕获机会唯一,是影响任务成败的关键.从限制性三体问题出发,推导了火星引力球、作用球与希尔球半径的计算公式,比较了三者的特点与适用范围,并结合作用球的定义与物理意义,给出了一种火星探测制动捕获段的工程定义.在作用球范围内建立了火星制动捕获段动力学模型,给出了对捕获轨道精度产生影响的各项误差源.通过蒙特卡洛仿真,定量分析了导航初始误差、发动机推力误差、制动点火时间误差等对捕获轨道近火点与远火点高度的影响,并对不同误差源可能导致的超差概率进行了分析,指出了影响捕获精度的主导误差源,可为我国未来火星探测制动捕获段的任务实施提供参考.

我国首次自主火星探测任务中环绕器的研制与实践

火星探测是国际深空探测的重点和热点,2020年,中国、美国、阿联酋的火星探测器相继发射升空。我国的首颗自主火星探测器——"天问一号"由环绕器、着陆巡视器组成,将一步实现火星的"绕、着、巡"。其中,火星环绕器作为探测器的核心组成部分,承载着地火转移、制动捕获、离轨分离、中继通信以及环火科学探测等重要任务。本文简要回顾了我国火星环绕器的研制历程,介绍了环绕器的基本方案,分析了研制过程中的技术难点和关键技术攻关情况,指出了未来技术发展方向,提出了构建通用化环绕平台的构想,为后期的深空探测任务提供参考。

“天问一号”探测器成功完成首次火星探测任务

【本刊讯】近日,由中国航天科技集团有限公司研制的我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动,环绕器3000N轨控发动机点火时长约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10°的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”目标的第一步,环绕火星获得成功。

前沿资讯

“天问一号”探测器首次火星探测任务环绕火星成功2021年2月10日19时52分,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动,环绕器3000牛轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10°的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”目标的第一步,环绕火星成功。

中国首次火星探测任务环绕火星获得成功

2月10日19时52分,由中国航天科技集团有限公司研制的中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动,环绕器3000牛轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400公里,周期约10个地球日、倾角约10度大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现"绕、着、巡"第一步"绕"的目标,环绕火星获得成功。

火星探测的“冰与火之歌”

2024年2月10日,是“天问一号”火星环绕器环火3周年纪念日。2021年2月10日19时52分,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”目标的第一步,环绕火星成功。

动态

我国首次火星探测任务环绕火星成功从国家航天局获悉,2月10日19时52分,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动,环绕器3000牛轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米、周期约10个地球日、倾角约10°的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”目标的第一步,环绕火星成功。

天宇来风

中国·CHINA天问一号探测器成功实施火星捕获并进入火星停泊轨道据国家航天局官网2021年2月10日报道,当天19时52分,中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动,环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10°的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标。