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。

地外天体软着陆过程羽流扬尘特性研究现状及展望

地外天体软着陆过程中,反推发动机羽流作用于天体表面风化层诱发的侵蚀扬尘是影响软着陆安全的最主要因素。首先对羽流扬尘现象的物理过程、侵蚀机制研究现状进行梳理总结,总结出侵蚀机制主要包括粘性剪切侵蚀、扩散气体喷发、承载力破坏和扩散驱动流动4种;其次,对部分探月和探火任务的在轨侵蚀结果、仿真模型和经验公式的研究现状进行研究分析,得出月球表面和火星表面因背景压力和风化层物质特性差异会产生不同的侵蚀机制,而在相同条件下的侵蚀机制也会随发动机个数和总推力的变化而变化,有必要对物理机理和扬尘特性进行进一步细化研究;最后,结合未来地外天体软着陆任务需求,提出了羽流扬尘原位测量、仿真预测模型和羽流扬尘消除3种用于未来探测任务羽流扬尘预测和防护的关键技术,以期对未来软着陆任务顺利执行起到一定的保障作用。

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。

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。

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。

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。

基于图像序列的软着陆小天体自主导航方法

提出了一种深空探测器着陆阶段的自主导航方法。该方法通过跟踪导航序列图像中特征点在像平面上的位置,结合激光测距仪给出的探测器到小天体表面的距离信息,在特征点实际位置不确定的情况下,利用扩展卡尔曼滤波对探测器的相对位置姿态及运动信息进行递归估计。同时重构特征点的三维位置。由于不需要所选特征点在小天体表面的精确位置,因此提高了导航方法的适用性。最后通过数学仿真验证了自主导航方法的有效性。

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。

小天体主动附着制导与控制技术研究进展

结合目前已实施的小天体附着探测任务,对小天体探测器主动附着涉及的制导与控制技术进行了系统性的回顾。首先,针对小天体附着任务风险高、不确定性强的特点,明确了主动附着的内涵,并分析了现有附着探测技术在自主性和安全性上面临的挑战,阐述了提高探测器主动附着能力的重要性。在此基础上,归纳梳理了与主动附着相关的制导与控制技术最新研究进展。最后,结合未来小天体探测任务需求,总结了今后具有进一步研究价值的几个问题。

着陆小天体的自主GNC技术

由于目标小天体和地面站之间存在较长的通汛延迟,加之小天体的动力学环境复杂多变,传统的基于深空网的导航、制导与控制(GNC)模式已不再适合探测器着陆小天体。为了实现安全着陆小天体,探测器必须具有自主导航、制导和控制的能力。本文提出了一种着陆小天体极区的自主GNC方案：首先,基于对自然特征点的自动提取、跟踪,给出了一种着陆小天体的自主光学导航方案；接着,为了安全垂直着陆小天体的极区,设计了比例-微分控制器跟踪理想的下降轨迹、消除侧向位置和速度偏差；最后,通过数值仿真对本文所提方案的可行性进行了验证。

利用Gauss-Markov过程的着陆小天体导航与制导方法

给出一种利用Gauss-Markov过程的自主着陆小天体导航与制导算法,来解决无法得到精确的轨道动力学模型带来的轨道确定困难问题。主要是在导航算法中,采用一阶高斯-马尔科夫过程近似着陆探测器轨道动力学中的无模型加速度,利用扩展卡尔曼滤波估计探测器的位置、速度及无模型加速度。通过数学仿真分析了给出的自主导航与制导系统的性能,并对比了采用与不采用一阶高斯-马尔科夫过程的导航滤波器性能,结果表明前者明显优于后者。

小天体着陆动力学参数不确定性影响分析

针对小天体不规则程度高、引力场复杂,且物理参数存在较高不确定性的问题,基于小天体着陆动力学方程线性化近似解析解,对各动力学参数不确定性的影响进行了分析。考虑动力学方程线性化带来的误差,引入线性化误差补偿校正方法,建立了探测器轨迹对动力学参数不确定性的敏感度方程。以小行星Eros 433为例,重点分析了目标小天体质量、自转角速度、引力势函数系数,以及探测器初始状态、推力加速度等动力学参数不确定性对探测器着陆轨迹的影响。数学仿真分析表明,针对本文选取的目标小天体,推力加速度扰动为主要影响因素,探测器初始状态的不确定性为次要影响因素,其他参数扰动的影响较小。

小天体自主附着多滑模面鲁棒制导方法研究

小天体形状不规则及缺乏观测信息的特点使得小天体附近的动力学环境较为复杂,附着动力学模型存在较大不确定性。通过引入多滑模面鲁棒制导方法,分别设计2个滑模面,使探测器状态先后到达这2个滑模面,可实现指定时刻精确附着小天体的目标。通过选取参数的分析总结了制导律中相关参数的选取对燃料消耗的影响,给出了制导律相关参数选取原则。在存在外界环境扰动、初始状态误差和导航误差条件下,蒙特卡洛仿真结果表明:多滑面制导方法能够在小天体的不确知环境中实现高精度附着,且具有很好的鲁棒性。多滑模面制导方法精度高、鲁棒性好,且无需设计参考轨迹,实时性好,适合小天体自主精确附着的任务需求。

国外探测器接近至着陆小天体的飞行策略研究

调研了3项国外典型的小天体着陆探测任务,包括近地小行星交会(探测)任务(NEAR)、罗塞塔号探测任务和隼鸟号探测任务,归纳总结了各任务中自接近至着陆小天体过程的设计特点,提出了小天体接近至着陆飞行策略:首先采用逐渐降低高度的接近轨道,开展引力场、外形参数初步测量;着陆前根据探测目标小天体质量大小设计特定的环绕或停泊轨道,在满足轨道稳定性、能源约束条件下,完成小天体的详细观测并选定着陆区,最终进入着陆初始轨道条件;着陆过程根据探测目标质量与体积、系统质量资源约束采用自由落体或自主轨道控制完成着陆。文章的研究结果可为后续我国小天体着陆探测任务提供借鉴。

改进的粒子滤波算法在软着陆小天体中的应用

针对小天体软着陆过程中估计目标天体质心视线的导航方法失效问题,给出了一种基于特征点信息的自主光学导航方法。为了进一步提高对轨道参数的估计精度,考虑到系统中存在的非高斯噪声,以及基本粒子滤波算法带来的粒子退化和采样枯竭问题,给出了一种改进的粒子滤波算法。最后,通过仿真计算,验证了所给出的自主光学导航方法以及改进的粒子滤波算法的可行性和有效性。

小天体采样探测技术发展现状及展望

小天体采样探测是探索宇宙奥秘及寻找地外稀有资源等的重要手段,已成为未来一段时间内深空探测任务的热点领域之一。文章在总结近40年小天体采样探测发展历程的基础上,系统分析国内外现有小天体采样探测技术的种类、特点和适用性,分析微重力环境下针对接触即走短期着陆采样方式研制的射弹溅射及气动等采样探测技术;提出未来小天体采样探测技术可能的发展趋势,例如针对长期着陆采样返回探测的表面锚固技术及复合高可靠的采样探测技术将成为研究重点。上述分析成果对我国深入开展小天体采样返回任务,把握关键技术,具有一定的指导意义和参考价值。

小天体探测器着陆图像匹配改进算法

针对小天体探测器着陆图像匹配信息存在数据量大、计算机存储空间有限等问题,提出一种基于改进BRISK和RANSAC的小天体探测器着陆图像匹配算法。首先,在Harris角点检测算法中引入尺度估计和尺度空间,在特征描述子建立阶段改进BRISK算法,提出降低相关性的采样点对选择策略,以减少计算量;然后,利用改进的RANSAC算法去除误匹配。在图像旋转、光照强度、高斯噪声、尺度因子的干扰影响下,仿真分析改进算法与基于BRISK的经典算法的匹配结果。分析结果表明:改进算法减少了计算量和存储空间,并在一定干扰情况下具有鲁棒性,可为后续视觉导航提供有效的陆标信息。

小天体着陆动力学研究进展

小天体着陆探测是目前获取小天体数据最直接最有效,也最具挑战的方式之一,是深空探测领域广受关注的热点问题,对行星和生命起源等重大问题研究具有独特科学意义.着陆动力学是小天体着陆任务成功的前提和保障,涉及小天体复杂空间摄动环境建模,着陆器及小天体崎岖地表描述和含有不确定性的着陆器姿轨运动分析等高维非线性动力学问题,给航天动力学提出了新的挑战.为此,本文系统梳理了已开展的小天体着陆探测任务及其着陆动力学主要问题,简单汇总了小天体着陆探测机器人及其弱引力地面模拟实验平台发展现状;归纳了小天体崎岖地表着陆器自由着陆的动力学分析方法,系统探讨了不规则引力场建模方法、接触碰撞检测与分析、双小行星系统着陆动力学,以及小天体地表力学性质等问题.最后,面向我国小天体探测任务需求,展望着陆动力学未来发展.

考虑碰撞与黏滑的小天体表面软着陆模型与轨迹设计

在考虑碰撞与黏滑效应的情况下,针对小天体表面软着陆过程进行了研究.首先采用多面体模型分析了小天体表面的不规则外形与地形地貌.采用软球离散元模型填充多面体模型及覆盖多面体模型表面的方法来模拟不规则小天体的不规则几何外形、引力环境、表面碰撞与弹跳等.分别考虑了无效软着陆和软着陆成功两种不同情形下的着陆器动力学参数计算结果,分析了达到预定软着陆区域和未达到预定软着陆区域的算例的不同.研究表明,小天体表面软着陆的核心问题则是碰撞弹跳与黏滑效应.如果软着陆初始条件选取不佳,着陆器可能弹跳后继续形成环绕轨道运动、或者未弹跳直接形成平衡点附近的拟周期轨道、或者最终着陆区域远离预定软着陆区域而导致任务失败.小天体表面软着陆应尽量选择非赤道面、平坦区域或凹区域进行软着陆.