嫦娥三号巡视器及其技术特点分析

嫦娥三号巡视器是我国月球探测二期工程探测器系统的重要组成部分,实现了我国首次地外天体表面巡视勘察。文章介绍了嫦娥三号巡视器的系统组成、构型及分系统方案要点;分析了月面移动、自主导航与遥操作控制、月面生存、地面试验模拟和系统资源约束等5个方面的技术特点和难点;给出了移动装置和车轮参数优化设计,天地协同操作控制,大温变热设计和自主光照唤醒,月尘和低重力等月面特殊环境模拟,系统集成与设计优化等工程解决措施。     

月球低重力模拟设备位姿测控系统优化设计

为巡视器地面行走验证试验专门研制了月球低重力模拟设备。在验证试验中需要对巡视器的位姿进行测量,针对这一需求,文章提出了基于双相机的非接触测量方案,同时研制了相应的位姿测控系统,对其硬件和软件进行了优化设计。利用该位姿测控系统开展了巡视器的位姿测量,有效解决了位姿测量和控制过程中的问题。经充分测试验证,系统满足巡视器地面行走验证试验的要求。     

月面巡视器实时动力学建模与牵引控制

为实现月面巡视器GNC系统的闭环测试,研究了六轮摇臂式巡视器在月表崎岖地形、松软土壤和低重力环境下的动力学建模与控制问题。基于弹塑性轮—土力学和粘弹性运动副约束分析,建立了巡视器的牛顿—欧拉动力学模型。以跟踪期望速度、角速度为目标,采用速度协调控制和车轮滑移控制,完成了巡视器闭环牵引控制。在实时操作系统下实现了巡视器动力学模型和牵引控制系统,并建立了三维可视化平台,对该动力学模型和牵引控制方法进行验证。测试结果证实了建立的动力学模型准确、稳定,可以真实地模拟巡视器在月球表面的运动行为和轮—土作用关系,且满足运动副的约束;所设计的牵引控制方法可以较准确地实现巡视器跟踪期望的运动。     

月面巡视器的任务层路径规划

使用巡视器对月球表面进行巡视探测是一种高效率、低成本的月球探测方法。路径规划作为巡视器的一项重要技术,通常把它作为导航系统的一部分,只考虑地形通过性的问题。实际上除了地形通过性,还有很多因素对路径选择起到决定性的作用。针对月面巡视器,在大范围区域综合考虑地形、能源、热控、通信等全局因素,给出了一种新的路径规划方法——实时贪婪（Realtime Greedy,RG）算法。运用该算法得到了任务层路径,为巡视器的导航系统提供路标点,并为巡视器的动作安排提供了依据。     

基于凸优化理论的含约束月球定点着陆轨道优化

针对月球精确定点软着陆问题,考虑导航及障碍检测敏感器视场约束及制动发动机推力大小约束,对月球动力下降段轨道优化方法进行了研究。首先建立了含约束条件的三维定点软着陆轨道优化问题模型,根据庞德亚金极小值原理推导了最优推力开关方程,并给出了推力奇异区间不存在的证明。针对优化模型中的复杂非线性约束,引入凸优化理论将问题转化为二阶锥优化问题,并采用内点法求解了最优标称轨迹。最后给出了月球软着陆制动段、接近段的仿真结果,验证了该着陆轨道优化方法的有效性。     

嫦娥四号巡视器系统设计与验证

介绍了嫦娥四号巡视器的无法与地面直接通信、月面地形崎岖和遮挡等技术特点,论述了根据技术特点相应的总体方案设计,如相对嫦娥三号巡视器的设备调整、在轨问题的完善设计以及系统安全的操控设计,随后开展了中继双向捕获跟踪和信息传输可靠性验证、嫦娥三号巡视器在轨问题解决措施的系统级验证、巡视器驶离性能验证和月面移动性能验证等针对性测试项目,最后介绍了嫦娥四号巡视器在月面的工作情况,其至今在月面工作时间已超过寿命要求,系统可靠运行,性能稳定,说明总体方案合理可行,可为后续我国月球和火星巡视器的研制提供参考。     

嫦娥四号巡视器遥操作地面支持系统设计

嫦娥四号巡视器由于其工作环境特点,在任务执行期间需要采用自主导航和地面遥操作控制相结合的工作方式,以确保巡视器的安全和工作效率。文章基于嫦娥四号巡视器的任务执行条件,开展了针对地面支持系统的总体架构和系统设计,并介绍了系统的实现方法。以在轨应用实例和完成既定的在轨支持任务两个方面,证明了该地面支持系统设计的正确性和有效性。     

月球探测器成像观测任务设计与验证

针对月球探测器月面软着陆与巡视勘察任务特点,进行需求分析和细化,识别出月面探测任务过程中着陆器动力下降、巡视器释放分离、两器月面工作状态、月面区域地貌状态等成像观测任务的关键环节,兼顾设计约束,开展成像仪器系统设计。基于各个成像观测任务关键环节,结合月面状态、探测器姿态和光照条件之间的相互影响,从成像仪器视场遮挡情况、成像目标的阴影状态、视频的连贯性和数据传输的匹配性等方面,确定成像仪器配置及功能和性能参数。此成像观测任务设计已通过嫦娥三号探测器的在轨验证,为探测器状态的判断、分析及任务实施过程的评估提供了支撑,可为后续深空探测的成像观测任务设计提供参考。     

“嫦娥三号”巡视器热试验月面姿态模拟装置研制

月面巡视器在月表移动的过程中,月面起伏和月球(1/6)g重力会对巡视器的热控系统产生不利影响,因此需要在地面试验时对巡视器的热控系统的功能进行验证。文章通过对运动机构在真空低温环境下的适应性研究,研制了一套可以满足"嫦娥三号"巡视器真空热试验中使用的月表姿态模拟装置,该模拟装置通过2套螺旋升降机构实现了巡视器的俯仰和滚动模拟,并经过初样、正样热试验的2次大型试验的使用验证,圆满完成了试验任务,也为以后热试验中运动工装的设计奠定了基础。     

基于伪光谱方法的月球软着陆轨道快速优化

为了满足探月器软着陆过程中轨道实时生成的要求,研究了伪光谱方法在月球软着陆轨道优化设计中的应用。在模型处理方面,根据月球软着陆轨道的特征和优化算法的特点,对探月器软着陆轨道状态方程进行了合理的简化和转化处理,使其更适合优化数值算法求解。在算法方面,使用伪光谱方法将软着陆轨道优化问题转化为一个约束参数优化问题,并采用乘子法处理约束条件,采用变尺度法求解处理后的参数优化问题。最后,对基于伪光谱方法的月球软着陆轨道优化进行了数值仿真计算,并用极小值原理验证了仿真所得的轨道是最优轨道。结果表明,该优化处理方法具有收敛速度快、对初始控制量不敏感、鲁棒性强等优点。     

月面重力模拟系统恒拉力绳索的动力学研究

月面巡视器在未来探月工程中有非常重要的作用.月球重力场是影响月面巡视器运动性能的重要环境因素,需要对其进行地面模拟试验.文章基于绳索悬挂建立月面重力模拟系统,其关键是对恒拉力绳索进行建模和动力学分析.通过将绳索离散化为一系列集中质量的弹簧阻尼结构,得到多刚体系统来代替连续的弹性系统,用数值计算方法来研究绳索系统的动力学参数(如刚度和阻尼)对月面重力模拟系统的影响,来优化月面重力模拟系统.     

载人月球车移动系统综述及关键技术分析

以载人月球车的发展和相关技术为对象,首先对国外载人月球车移动系统的概念设计进行了系统的综述,对载人月球车各种概念设计的特点进行了比较和分析,探讨了载人月球车的设计趋势;其次以阿波罗载人月球车移动系统结构为例,分析其移动系统的主要构成作为借鉴;然后从机构学、地面力学及动力学等方面在载人月球车研究中的应用现状进行了综述;最后提出了载人月球车移动系统的关键技术,指明了当前亟需解决的关键技术及难点所在。     

月尘对太阳电池的遮挡效应研究

月尘的沉积对月面探测器太阳电池系统是一种严重的威胁。为了对月尘沉积所引起的太阳电池性能衰减进行预估,文章建立了一种月尘遮挡模型,可用于月尘遮挡效应的研究,并可作为月球探测器防尘设计的参考工具。     

嫦娥三号月面巡视器机械臂就位探测规划

提出了一种基于SA *算法的嫦娥三号月面巡视器机械臂就位探测规划方法。建立了机械臂的正逆运动学模型,满足机械臂与环境不存在干涉的约束条件,并通过碰撞检测避免机械臂与环境和巡视器本体发生干涉;利用SA *算法在机械臂的工作空间进行搜索,在机械臂位形切换次数最少的优化条件下,实现了月面巡视器机械臂就位探测规划;通过月面巡视器在轨任务执行数据验证了基于SA *算法的月面巡视器机械臂就位探测任务的可行性。     

月面巡视器太阳板对日定向规划算法

针对月面巡视器太阳板对日定向问题,提出了一种规划算法。分析了规划指标与约束条件,约束条件包括太阳入射角约束和太阳板机械转动约束;推导了在车体姿态不变情况下的定向算法,通过将太阳板运动转换为平面上的矢量旋转,实现对日定向;利用巡视器原地转向运动弥补太阳板单自由度转动的不足,将车体运动与太阳板法向矢量轨迹投影至球面,得到车体原地转向时的定向规划算法。仿真结果表明:文章提出的算法能够实现指定约束下的对日定向;对于无法实现理想对日定向的情况,算法也能够获得太阳板的次优规划。     

基于地球敏感器和加速度计的月球车自主定向算法研究

月球车定向是月球车导航的一个重要组成部分，它是月球车定位的基础和前提。针对这一问题，提出了一种适用于月球车长时间、长距离导航的绝对定向算法。该算法利用非线性最小二乘平差原理对CCD地球敏感器成像进行处理，实现了在月球表面CCD地球敏感器的矢量观测功能。结合加速度计的测角原理，实现了航向角确定。以理论分析和实际推算描述了该定向方法的具体实现过程，最后以仿真结果验证了该方案的可行性，为未来我国月球探测中月球车的实际应用提供了技术参考。     

应用计算几何的月面太阳辐照度仿真模型

月面太阳辐照度对月面环境分析、月面巡视器设计具有重要意义。文章提出了一种应用计算几何的月面任意位置太阳辐照度仿真模型。首先,计算太阳、地球等天体相对月面点的位置;然后,将各天体投影至以月面点为球心的天球球面,并通过裁剪运算和二维布尔运算得到太阳未被遮挡的形状;最后,利用太阳可见面积对理想太阳辐照度模型进行修正,得到通用的模型。为验证提出模型的有效性,将仿真结果与STK软件进行比较。结果表明,文章中的模型综合考虑了地球、月面等多种因素对太阳辐射的耦合影响,其与STK软件获得的结果相比,更符合真实的太阳光照状态。     

软着月任务窗口与轨道设计方法研究

建立了一套应用于多约束条件下软着月任务的窗口计算以及轨道设计方法。针对经历发射 段、地月转移段、绕月段及动力下降段的月球探测器,综合考虑各个特征点的位置、光照、 测控等约束,结合轨道特性,采用着月点→近月点→入轨点→发射点倒推的方式,快速确 定探测器的发射窗口。在其中选择发射时刻后即可计算转移轨道的轨道根数初值,并搜索计 算精确轨道。该方法对于我国月球探测后期工程的发射窗口计算与轨道设计工作有较重要的 参考价值。