中国月球探测任务轨道确定技术及发展综述

月球探测器的轨道确定是完成月球探测任务的基础,在我国月球探测任务的引领下,在我国深空测控体系发展的同时,轨道确定技术也得到了快速的进步。从时空参考框架和动力学模型两个方面介绍了我国月球探测任务轨道确定技术的发展过程,基于时空参考框架的优化及动力学模型的改进,我国月球探测器的轨道确定能力及精度也不断提升,这对于当前及后续的月球探测任务都有很好的借鉴意义。     

基于多源影像的探测器月面着陆点定位与精度验证

探测器月面着陆点高精度定位是探测器着陆的重要技术环节,也是地外天体探测器开展各项工作的重要前提.本文基于多源图像数据,利用图像特征匹配和多重覆盖影像定位技术,设计了探测器月面着陆点高精度定位方法,并使用嫦娥三号任务相关影像进行了定位实验与精度验证.在高精度图像匹配和几何变换的基础上,降落相机序列影像间的匹配精度达到子像素,LRO NAC影像与中分辨率降落图像的匹配精度优于1pixel,最终解算的嫦娥三号探测器着陆点坐标为（44.1196°N,19.5148°W）.本文方法综合利用了多源图像数据,不完全依靠着陆区DOM底图的制图精度,是对影像与DOM底图配准定位结果的进一步精化,在未来的月球着陆探测任务中具有应用价值.      

嫦娥一号绕月探测器轨道投入过程实时监测判定的原理与技术实现

深空探测任务中的轨道机动是保证探测器进入预定轨道的关键环节, 也是实际测控 任务中的重点和难点. 在轨道机动过程中, 探测器通过点火产生自身加速度, 此过程会造成飞行状态不稳定, 使得对卫星机动过程的预测和判定变得更加复杂. 针对这些问题, 结合中国第一个深空探测任务嫦娥一号(CE-1)卫星, 对其轨道机动段, 特别是近月点入轨制动这一关键弧段, 提出了基于视向速度对探测器飞行状态进行实时监测估计的原理和方法, 进一步建立了相应的实时监测系统, 并应用于实际工程任务, 同时对该系统的表现进行评估, 为未来深空探测中的类似问题提供了一种有效的解决方法.      

一种基于B平面参数的深空天体接近段自主轨道控制方法

针对深空探测接近目标天体段轨道,提出了以B平面参数为制导目标参数的自主轨道控制方法.由自主导航系统确定探测器的当前位置和速度,通过精确轨道动力学积分外推到目标天体的近心点得到B平面误差,利用线性制导公式计算出修正轨道需要的速度增量,并用误差椭圆来统计修正后B平面误差.以火星探测为例进行蒙特卡罗仿真,验证了该方法的正确性.     

基于视线矢量测量的火星接近段自主导航算法

为了实现中国首次火星探测接近段的自主导航,设计一种基于视线矢量测量的自主导航算法,以测量火星视线单位矢量为唯一观测量,在轨道动力学及星-火间几何关系的基础上,详细推导出了探测器位置矢量模的表达式,并进一步推导出探测器位置及速度矢量的表达式,建立自主导航算法.通过仿真验证,分别对闭合轨道和双曲线轨道下基于三视线测量自主导航算法的表现进行比较分析.     

日本火星探测计划

1背景实施火星探测，美国、俄罗斯为主要核心国，他们共发射了26个火星探测器。从美国的6个（2个着陆装置）和俄罗斯的6个（2个着陆装置）火星探测器已获得了大量的探测数据。探测任务主要是从火星运行轨道进行科学性测定和通过着陆装置进行表土分析、生命探测。尤其是1976年着陆在火星上的海盗一l和2探测器，它们对火星进行了生命探测，但未能确认火星有生命存在。今后世界各国的火星探测计划侧重考虑降低成本：通过从轨道探测器向多种类型／分辨率提高型探测器过渡，进行火星表面及大气测量；通过穿透器进行火星地下的科学探测及水的存在…     

对一种月球与火星探测多程微波测量链路定轨定位的数值模拟初步分析

轨道器精密定轨与着陆器的精确定位在深空探测任务中具有非常重要的科学意义。对一种月球与火星探测多程微波测量链路的定轨定位能力进行了初步仿真分析,推导了这种多程微波测量链路的测量模型,分析了该模型的优势。模拟仿真分析结果表明,此测量跟踪模式的数据具有提升轨道精度的潜在能力,并且同时求得着陆器的位置。定量分析表明,在考虑坐标系转换误差,重力场误差,行星历表误差以及星上转发误差的情况下,模拟1 mm/s的噪声,对于月球探测器来说,轨道器的定轨精度可达几米,着陆器的定位精度有望达到分米量级;对于火星探测器来说,轨道器的定轨精度可达到数10 m,着陆器的定位精度可达到几米。     

一种基于星载GPS的月球探测器导航算法

为验证GNSS旁瓣信号对中高轨航天器在轨飞行的导航支持能力,"嫦娥5号"飞行试验器搭载了GPS导航接收机。由于目前使用的星载导航解平稳性不够,为此,根据月球探测器不同飞行段落轨道动力学特性,建立了一种基于星载GPS数据的月球探测器实时导航算法。该算法充分考虑了月球探测器不同段落的动力学特性,基于UKF滤波设计,并引入了自适应策略,以降低滤波参数选取的难度。在分析星载GPS数据特点基础上,月地返回段实测数据的处理结果验证了算法的可行性和有效性。     

基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位

针对分布式SAR卫星编队星间基线的高精度确定问题, 提出了基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位方法. 根据CDGPS原理及基于轨道动力学模型的星间相对定位原理,在CDGPS测量的基础上, 引入轨道动力学模型提供的先验约束信息, 对长弧段的观测数据进行解算, 克服了运动学逐点解算方法在观测几何较差或观测数据不足情况下无法应用的缺点. 此方法能够有效抑制测量中的随机误差, 提高相对定位精度, 提供了一种可实现mm量级星间基线确定的技术途径. 通过仿真计算验证了动力学方法的有效性. 计算结果表明, 动力学方法可以显著提高相对定位精度. 相对于运动学方法, 前者L1固定解的精度提高了68%, 而消电离层固定解的精度提高了95%.      

基于自适应滤波的脉冲星导航方法研究

基于X射线脉冲星的自主导航技术能够为深空探测航天器提供高精度导航信息.脉冲星星表误差对导航性能存在不利影响,特别是方差不确定的星表误差,会引起较大定位误差.建立不确定项的导航模型,提出一种基于方差匹配的自适应滤波方法,通过估计不确定观测模型中的待估参数减小不确定项对观测的影响.通过数学仿真对比了自适应滤波方法和传统扩展卡尔曼滤波方法（EKF）,验证了所提方法的有效性.     

月面无人自主采样返回任务动力下降点确定及验证

动力下降点确定是实施月面软着陆的重要环节，是多系统间复杂迭代的过程，涉及轨道设计、制导律设计、着陆目标的采样区确定、着陆及起飞安全分析。其设计结果直接影响了最终着陆点的位置和着陆过程的着陆安全，也间接影响采样安全和采样工程目标的实现结果。针对嫦娥五号在实施月面软着陆前确定动力下降点的任务需求，提出了通过多次轨道控制与最优标称制导轨迹搜索联合控制策略的动力下降点确定方法。首先，根据月面无人自主采样返回任务设计总结了动力下降点确定原理和约束条件；然后，详细论述了月面无人自主采样返回任务软着陆过程动力下降点确定方法；最后，通过嫦娥五号在着陆前主要的几次轨控实施结果分析了其对动力下降点的影响，同时综合了着陆区地形分析及着陆、起飞安全性分析，对动力下降点进行确定并根据最终在轨飞行结果进行验证。验证结果表明，基于“逐次逼近寻优方法”的月面软着陆环节动力下降点的确定方法有效，可以为后续地外天体软着陆等任务提供参考和借鉴。     

环月降轨实现月面着陆的控制策略

针对探测器实现月面着陆的问题，对环月降轨轨道控制策略进行了研究。根据环月降轨的控制方程，将环月降轨单脉冲控制变量的不同组合与月面着陆目标参数建立了3种关系；建立了定时定点月面着陆、定点月面着陆和目标纬度区域月面着陆3种环月降轨控制策略，并给出了控制策略求解算法和步骤。针对定点月面着陆，单脉冲对半长轴和近月点高度进行组合控制，分析了环月降轨控制解空间。针对标称环月轨道/-偏差环月轨道/+偏差环月轨道，分别进行了定时定点/定点/目标纬度区域3种月面着陆的控制计算，验证了环月降轨控制策略。可应用于月球着陆、月球采样返回及载人登月等实施月面定时定点着陆任务的轨道控制。      

月球精确软着陆最优标称轨迹在轨制导方法

为实现在月球表面期望的着陆点进行精确软着陆（PPL）,且满足燃耗最优性要求,基于提出的LIDAR目标点在轨自主选定的月球精确软着陆方案,对月球PPL最优标称轨迹在轨快速规划制导方法进行研究。首先针对月球PPL三维球体非线性轨道动力学模型,采用Legendre Gauss Lobatto伪光谱方法将轨迹优化的最优控制问题转化为非线性规划问题（NLP）,再利用SQP优化算法求解月球PPL最优标称轨迹,最后通过遗传算法对优化结果进行验证,并提出应用遗传算法提供SQP在轨规划初值数据库的方案。仿真结果表明了最优标称轨迹在轨规划方法的快速性和有效性。     

基于混合法的月球软着陆轨迹优化

利用混合法思想和人工免疫算法研究了月球软着陆轨迹优化问题.首先建立月球软着陆系统模型并进行归一化处理;然后基于混合法思想利用庞特亚金（Pontryagin）极大值原理推导最优控制律,以伴随变量初值和终端时刻作为优化变量,将终端约束作为罚函数引入评价函数中,将月球软着陆轨迹优化问题转化为非线性规划问题（NLP,Nonlinear Programming）;最后应用引导人工免疫算法（GAIA,Guiding Artificial Immune Algorithm）求解该优化问题.仿真结果表明,GAIA混合算法比直接法的寻优速度快,终端误差小,且可搜索到理论最优轨迹;同时,GAIA混合算法的伴随变量初值收敛范围比间接法大,降低了最优月球软着陆轨迹的搜索难度.     

基于Unity3D的月面复杂地形场景构建及模拟驾驶系统

为了验证未来复杂月面地形操控技术方案,本文基于Unity3D物理引擎对月表模型、月球物理环境以及月面光照环境进行了模拟,设计并开发了一套用于模拟月球自主进行着陆点选址以及在线航天器着陆轨迹规划的模拟系统。模拟系统的工作过程包含了：基于面阵雷达与立体相机信息融合的局部月表重建,基于3D重建结果的月表地形着陆代价的快速评估与自动着陆选址,以及使登陆器能够到达选址目标的最优燃料消耗着陆运动规划,实现了月球着陆器短距离自主选址着陆的模拟系统构建,同时也从仿真的角度初步验证了“地形重建-地形评估-自主选址-软着陆”这一自主着陆过程的可行性。     

给定条件下直接命中月球轨道计算方法

在给定飞行时间、着月时间、着月入射角及停泊轨道等约束条件下，建立飞月轨道数学模型；采用可变容差多面体算法及罚函数方法进行二点边值搜索，借助双二体理论近似确定迭代初始条件，得到满足要求直接命中月球的飞月轨道。     

月面上升的轨迹优化与参数分析

面向月球采样返回任务分析需求,对月面上升段的轨迹优化及燃料消耗影响因素进行了研究。基于上升器运动模型,建立以燃料消耗最优为目标考虑入轨约束的轨迹优化模型,通过Gauss伪谱法和序列二次规划求解上升过程最优推力方向。改变运动模型中的初始推重比、入轨约束中的目标轨道参数,根据轨迹优化结果得到对应的燃料消耗,分析了这些因素对上升器燃料消耗的影响。针对上升器非共面起飞的问题,提出了上升偏航、升交点调整、倾角调整3种方案,从燃料消耗的角度分析了各方案的适用情况,为未来工程应用提供参考。     

基于伪光谱方法月球软着陆轨道快速优化设计

根据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合理的转化处理,使其更适合优化数值解法求解。在此基础上,使用伪光谱方法将软着陆轨道优化问题转为一个约束参数优化问题,然后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,仿真结果表明此方法具有收敛速度快、对初始控制量不敏感、鲁棒性强的优点。     

过载约束下的探月飞船再入轨迹的在线设计

研究了以第二宇宙速度返回地球的载人探月飞船的再入制导律设计问题.针对基于落点分析的数值预测-校正算法不能有效满足再入过程的气动过载约束条件的问题,提出一种基于解析计算的常值气动过载算法与基于数值积分的预测-校正技术相结合的融合再入制导方案,在线生成了同时满足过载约束和落点精度要求的再入轨迹.数值仿真表明提出的制导算法不仅能满足达到高精度着陆的要求,还能满足气动过载约束要求.在一定的再入初始条件下,探月返回飞船可以不必采用逻辑复杂的阿波罗式跳跃再入方案.这一方案可为即将展开的载人探月活动制定月-地返回轨道和再入策略提供参考.     

月球软着陆的高精度自主导航与控制方法研究

提出了一种月球软着陆的高精度自主导航和控制方法.根据测距波束视线相对月面的几何关系,确定本体系的月心方向,组合利用测速仪获取的本体系三维速度确定本体系相对轨道系的姿态、速度及高度,并根据确定的参数性质选取适应的制导和控制方法.算法基于直接测量数据确定和控制姿态、高度和速度,不受惯性导航误差的影响,可以有效地提高姿态、速度与高度的确定精度和控制精度.数学仿真表明了算法的有效性.