The present status and prospects in the research of orbital dynamics and control near small celestial bodies

Small celestial body exploration is of great significance to deep space activities. The dynamics and control of orbits around small celestial bodies is of top priority in the exploration research. It includes the modeling of dynamics environment and the orbital dynamics mechanism. This paper introduced state-ofthe-art researches, major challenges, and future trends in this field. Three topics are mainly discussed： the gravitational field modeling of irregular-shaped small celestial bodies, natural orbital dynamics and control, and controlled orbital dynamics. Finally, constructive suggestions are made for China’s future space exploration missions.

弱引力小天体的自主捕获与相对导航方法

远距离自主捕获与近距离高精度自主相对导航是小天体探测任务中的关键问题,并且目标尺寸越小,问题越突出。首先,针对数万千米到数千千米远距离范围内的星空背景暗弱目标难以识别的问题,提出综合利用运动学和亮度的全自主捕获和识别方法,可以实现距离大范围变化的快速准确捕获,具备了3万千米以远捕获10等星暗弱目标的能力;其次,针对数千到数十千米范围交会段视线测量可观性不足的问题,提出基于视线和轨迹机动一体化设计的相对导航方法,在考虑燃料消耗的前提下有效地提高了轨迹可观性,实现了交会段优于5%精度的相对位置导航;最后,针对近距离不规则小天体表面附近的相对导航问题,提出基于图像陆标和点云特征相结合的光学导航方法,可同时适应阳照区和阴影区的探测需求,并结合基于多源数据融合的弱引力小天体重力场反演方法,进一步提高近距相对导航的精度,近距采样相对位置优于1 m,相对速度优于1 cm/s。对所提出的方法进行了数学和物理的仿真验证。提出的方法有效解决了小天体探测中的高精度相对导航问题,也能适用于数十米量级直径大小和明暗快速交替变化的小天体着陆探测任务。

小天体柔性着陆任务规划的动态时间约束推理方法

针对小天体柔性着陆任务规划中的复杂耦合时间约束一致性推理效率问题,建立任务规划时间约束网络,通过划分时间约束类型,设计约束动态添加策略,提出动态弧一致时间约束推理方法,限制新添加约束的传播范围,局部求解时间网络一致性,实现规划过程中时间约束网络一致性的高效维护。最后,构建小天体着陆规划场景,生成着陆任务规划活动及时间约束。仿真结果表明,与现有时间约束推理方法相比,所提出方法提高了时间约束推理效率,进而可为小天体柔性着陆任务规划提供支撑。

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。

深空探测器多智能体强化学习自主任务规划

针对深空探测器执行附着任务时各子系统协同规划自主性、快速性和自适应性的要求,提出一种基于近端策略优化方法的多智能体强化学习协同规划,将单智能体近端策略优化算法与多智能体混合式协作机制相融合,设计了一种多智能体自主任务规划模型,并引入噪声正则化优势值解决多智能体集中训练中协同策略过拟合的问题。仿真结果表明,多智能体强化学习自主任务规划方法能根据实时环境变化,对智能自主优化小天体附着任务的协作策略适时调整,与改进前的算法相比提高了任务规划成功率和规划解的质量,缩短了任务规划的时间。

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。

柴达木盆地英雄岭构造带小断层和碳酸盐岩缝洞体识别地震勘探关键技术

针对柴达木盆地英雄岭构造带深层小断层和碳酸盐岩缝洞体识别,提出配套的地震勘探关键技术。首先,从资料采集方面,扩大观测方位,采用小组合激发和接收,炮、检点均匀布设,可提高小断层成像精度;在地震资料数据处理方面,采用OVT域多维保真压噪技术和巨厚表层Q补偿处理技术,可以提高地震资料信噪比、保真度,有效拓宽频带,提高分辨率;在地震资料解释方面,利用分方位数据体和人工智能断层识别技术,可有效提高小断层识别精度,利用各向异性强度属性可有效识别缝洞体。该技术可为其他类似地区提供参考。

地球科学和深空探测的引力场建模理论研究进展

不规则天体引力场建模是当前地球科学和深空探测研究领域面对的共同难题.本文梳理了这两个领域中引力场建模理论的发展历程以及近10年研究进展,重点介绍引力场多极展开理论和引力场势流模拟理论.引力场多极展开理论将电磁学和量子力学中常用的复变函数公式体系引入引力场研究领域,比实变函数公式体系更简洁地表述天体(内外部)引力场结构;通过充分利用复变函数运算规则,能直观有效解决与引力场相关的天体动力学问题.引力场势流模拟理论利用天体外部引力矢量和势流速度矢量的等价性(即两者都是无源无旋矢量场),将计算流体动力学数值计算方法引入引力场建模领域,通过求解势流速度场实现天体外部引力场建模;此理论不依赖于扰动理论,能有效克服常规方法在反演不规则天体引力场过程中存在的“解发散”问题.这两种引力场建模理论的共同创新性在于通过将其它领域中看似不相关的数学理论引入到本领域,实现本领域的问题求解和理论推进,对后续理论研究起到一定借鉴意义.此外,本文根据天体引力场的定义公式及其变体形式,对地球科学和深空探测领域已有的引力场建模理论研究进行分类、对比和分析,总结各自优缺点,对相关学者选用合适引力场建模方法提供有益参考.

基于快速分解后向投影算法的小天体快速三维成像

雷达成像技术凭借其快速、无损伤以及高分辨率的特点,在深空探测领域得到了日益广泛的关注。针对合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)三维成像过程中运算效率低的问题,基于小天体弱引力和快速自旋的特点,提出了一种适用于慢飞越观测模式的快速分解后向投影(Fast factorized back-projection,FFBP)三维成像算法。首先,分析了慢飞越模式下的等效运动模型,基于运动模型将二维极坐标系成像域扩展至三维球坐标系成像域,对三维FFBP算法中的孔径划分以及图像融合问题进行了深入分析,推导了子孔径二维划分规则和图像递归融合方法,并给出了具体实现流程。最后通过数值仿真和实测数据验证了算法的有效性。实验结果表明,所提成像算法可大幅提升运算效率,根据不同的孔径划分方式,相较于后向投影(Back-projection,BP)算法,可实现30~50倍的加速比,并获得与经典BP算法近似的成像性能。

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。

月球探测器飞越多小天体的拓展任务设计

为充分利用月球探测任务完成后的探测器,提出控制其从环绕月球或地球的轨道出发开展多个小天体飞越探测拓展任务。结合月球探测任务完成后的探测器飞行状态,重点分析了逃逸月球或地球的能量需求,以及小天体飞越探测的其他必要条件,如小天体亮度、星载设备能力约束等。研究了小天体目标确定和转移轨道设计方法,针对小天体目标众多引起的搜索空间和计算量大、多目标序列优化复杂等问题,设计了小天体目标多层择优搜索算法。以嫦娥五号为例,搜索得到了多个可行的小天体飞越探测方案,结果表明在给定约束下可以交会最多5个小天体,包括尺寸较大的小行星12923。研究结论可直接用于嫦娥五号拓展任务,并为后续月球和小天体探测任务提供有益参考和借鉴。

基于信息融合的小天体软着陆组合导航算法

小天体距地球较远,观测信息不足,引力场弱且分布不规则,对自主导航算法的精度和实时性提出了更高的要求。本工作以小天体软着陆自主导航为应用背景,针对惯性导航误差累积和光学导航观测周期长等问题,提出了一种基于信息融合的组合导航算法。以软着陆探测器的位置和速度为状态向量,通过引入了一种信息融合算法,将光学导航信息与惯性导航信息进行信息融合,生成对软着陆探测器状态的估计。实验结果表明:该算法能有效地提高导航定位精度,并对速度误差有一定的抑制作用,为探测器在小天体表面软着陆提供了一种行之有效的方法。

腹腔镜探查在成人小肠异物穿孔中的应用价值

目的探讨腹腔镜探查在成人小肠异物穿孔中的应用价值。方法选取2005年1月至2021年12月收治的57例成人小肠异物穿孔患者为研究对象,根据探查方法不同将其分为开腹组(24例),腹腔镜组(21例),中转开腹组(12例)。开腹组给予开腹探查及手术,腹腔镜组给予腹腔镜探查及手术,中转开腹组由腹腔镜探查及手术转为开腹探查及手术。比较三组的治疗效果。结果中转开腹组的小肠部分切除占比高于腹腔镜组,差异具有统计学意义(P<0.05);腹腔镜组的手术时间短于中转开腹组及开腹组,术中出血量少于中转开腹组及开腹组,差异具有统计学意义(P<0.05);中转开腹组和开腹组的手术时间、术中出血量比较,差异无统计学意义(P>0.05)。腹腔镜组的炎性指标恢复时间、下床时间、排气时间、拔管时间及住院时间短于中转开腹组及开腹组,差异具有统计学意义(P<0.05);中转开腹组和开腹组的炎性指标恢复时间、下床时间、排气时间、拔管时间及住院时间比较,差异无统计学意义(P>0.05)。腹腔镜组的并发症总发生率低于中转开腹组及开腹组(P<0.05)。结论腹腔镜探查在成人小肠异物穿孔中的应用效果较好,其可缩短手术时间,减少术中出血量,加快术后恢复,降低并发症发生率,值得临床应用。

小天体着陆器协方差矩阵分割滤波方法

提出一种小天体着陆器协方差矩阵分割滤波方法,利用惯性测量单元和多个相机估计着陆器运动状态,通过分割协方差矩阵的方式将协方差矩阵隔离更新和传播,并在每次测量更新时使用残差卡方修正方法修正协方差矩阵。通过小天体着陆器着陆仿真测试,与传统扩展卡尔曼滤波算法相比,本文方法在测量噪声估计不准确时具有更好的精度和稳定性。

基于视觉的地外天体探测器着陆测速

为了确保探测器安全、准确地降落在地外天体表面,需实时测量探测器的下降速度,为制导导航与控制系统完成软着陆任务提供重要参考依据.提出一种仅利用光学相机的实时视觉测速方法,针对天体地表视频图像,采用递归全对场变换光流算法提取相邻帧间的光流场,然后通过深度神经网络的卷积层和池化层提取光流场对应的特征向量.为减小探测器降落过程中成像透视效应对测速精度的影响,构建一种适用于连续视频帧的长短期记忆网络,对特征向量和速度进行拟合,实现探测器着陆速度的实时估计.仿真实验结果表明,与基于前向传播网络的测速算法相比,本文方法的平均绝对百分比误差减小了11.98%,测量精度更高.

小天体附着装置地形被动自适应机构设计与优化

面向在小天体非确知、非结构性表面安全稳定附着的技术需求,设计了一种可同时在偏移和扭转共6个自由度上实现对抓附区域星表地形被动自适应的串并混联机构,并完成了其工作空间优化。首先,针对附着过程中附着装置与星表拟合球面不居中问题,提出了一种3-RSPS串并混联被动自适应机构设计方案;进而,采用修正的G-K公式计算了该机构的自由度,基于空间位置矢量法推导出其逆运动学模型,并通过虚拟样机仿真验证了逆运动学模型的正确性;最后,采用数值搜索方法完成了该机构的定姿态工作空间分析和基于NSGA-II算法的多目标优化。结果表明:相较于目前广泛应用的3-SPS并联机构,本文所设计的星表地形自适应机构的全局工作空间提高了40.9%,优化后,又进一步提高了21.3%,可适应更加崎岖陡峭的小天体星表地形,具有较好的工程价值。

基于统计特征空间提取和支持向量机的极暗弱小天体检测方法

小天体检测是小天体防御和预警的前提。针对小天体目标信噪比低、检测难的问题,提出了基于统计特征空间提取和支持向量机(SVM)的极暗弱小天体检测方法。区别于传统方法基于时间或空间上目标的能量和背景噪声能量的瞬时能量差别或是瞬时能量差别的累积,对目标进行检测。该方法不依赖目标能量大小,提取运动目标穿过背景时对稳定性产生的扰动来反演运动目标。将输入的图像序列转化为单像元时序信号,划分时序窗口提取统计特征,关联形成统计特征空间,利用更高维度的变化特性检测目标变化。通过SVM将暗弱小天体检测问题转化为目标与背景的二分类问题,避开了较难解决的阈值分割问题同时具有更好的泛化性能。利用真实数据与其他经典方法进行对比分析,使得分类准确率提高4.02%。该方法能够适应更低的信噪比,在极低信噪比下仍表现出稳定的检测性能。

高灵敏度EMCCD导航相机的设计

导航相机是深空探测领域中关键的导航敏感部件,本文通过提高导航相机的灵敏度来提高导航相机的综合性能,特别是提高时间分辨率,解决高动态条件下的目标探测问题。首先,根据导航相机的工作模式和EMCCD的性能特点,分析了影响导航相机成像质量的多个因素,建立了目标信噪比理论分析模型;然后,在理论计算基础上,重点研究EMCCD导航相机的样机设计技术,说明了EMCCD高频高幅驱动、模拟前端设计、TEC真空制冷、时序控制与数据处理等关键技术的实现方法;最后,介绍了相关实验工作,并分析实验数据。实验结果表明:样机最大目标信噪比在倍增增益M=10时达到68.6dB,在口径13mm条件下,可在积分时间1ms内实现对月球成像。基本满足深空探测导航相机高动态条件下短积分时间成像的要求。

利用遗传算法搜索小天体探测最优发射机会

针对传统pork-chop图方法计算量大、计算效率低的问题，提出了一种基于遗传算法的小天体探测发射机会搜索方法。该方法以探测任务所需总的速度增量为目标函数，采用遗传算法作为搜索寻优算法，通过对星历的计算和Gauss问题的求解，将复杂的多变量非线性搜索寻优问题简化成一个两变量的搜索寻优问题，减少了编码数量和搜索空间，使其具有全局搜索功能和快速收敛特性，提高了计算效率。最后以近地小行星4660 Nereus为例，对其在2008-2012年采用两脉冲转移的交会型探测任务的发射机会进行了搜索。仿真计算结果表明：所给出的搜索方法与传统的搜索方法得到的结果一致，且所用时间仅为传统方法的4．19％。

小天体柔性附着状态协同估计方法

针对小天体附着过程易发生倾覆、反弹导致任务失败问题,提出“柔性附着”概念,替代传统小天体探测的刚性附着模式,为提高小天体附着任务可靠性提供新的解决思路和技术途径。在此基础上,针对柔性着陆器的状态估计问题展开研究。首先建立了柔性着陆器近似模型,提出了柔性着陆器“等效面”概念及柔性着陆器姿态的近似表征方式,进而提出了柔性附着状态协同估计方法,并通过数值仿真检验了柔性着陆器状态协同估计的可行性。