基于火星轨道器的着陆器定位误差及可观性分析

针对深空探测过程中地面测控数传能力及着陆器星上功率受限等问题,文章提出了以轨道器为中继站的火星着陆器测量定位方法,旨在工程约束条件下分析地面测控站对着陆器的跟踪情况、轨道器与着陆器之间的可观性以及不同着陆点定位精度的差异,并给出相应的误差改善措施。该手段充分利用轨道器星上设备,达到提高定位精度的目的。结果表明,轨道器与着陆器之间通信的可见性要好于着陆器直接对地通信,有利于着陆器位置的确定;此外,通过几何因子和克劳美罗下限分析发现,若着陆器的着陆点位于轨道器星下点区域内,其定位精度较差。该方法充分利用轨道器与着陆器间的UHF通信链路,可为中国首次火星自主探测任务中着陆器的安全着陆提供参考。     

逆金字塔式安全着陆点选择方法

针对现有地外天体软着陆安全着陆点选择方法的不足,设计了逆金字塔式安全着陆点选择方法,结合着陆器的落点精度和自主避障及地形坡度适应能力,建立了基于平整点、安全着陆点、可靠避障点和标称着陆点的地形安全性分析与定量搜索模型,该模型呈四层逆金字塔结构,每一层搜索的结果作为下一层搜索的输入,从弱约束到强约束逐步收敛至100%地形安全着陆区,嫦娥五号探测器飞行结果表明该方法能够快速确定安全着陆区及标称着陆点,并有效指导着陆下降过程的标称航迹设计和轨道控制策略制定。     

火星安全着陆轨迹快速生成的能控集法

针对火星着陆器在动力下降过程可能存在的着陆轨迹实时修正和着陆点再选择等问题,本文通过离线计算着陆器在动力下降段开始时的能控集范围,并在实际着陆过程中判断着陆器当前状态与能控集间的关系,实时确定最终着陆点并快速搜索相应着陆轨迹。若着陆器无法到达预定着陆点,则在视野范围内根据安全因子重新选择着陆点规划运动轨迹。仿真表明,基于能控集的快速轨迹规划法可根据着陆器的实际初始状态快速确定最终着陆点并获得相应着陆轨迹,以有限的燃耗实现火星安全软着陆的目标。     

载人月面着陆地形障碍探测与规避方案研究

月面地形障碍是影响载人着陆安全的关键因素之一,可能引起着陆器倾斜、结构损坏甚至倾覆。载人月面着陆除在总体任务规划时要选取平坦安全的着陆区外,还要进行实时在线的地形探测和障碍规避。文章对“阿波罗”计划和“星座”计划中的月面着陆飞行方案和飞行器进行调研,分析了载人月面着陆避障的任务要求和技术特点;结合着陆飞行任务,提出考虑避障的飞行方案,分为高速运动中的粗避障和接近悬停后的精避障两个阶段;考虑月面着陆飞行状态以及光照、月尘等外部环境,设计载人月面着陆时由激光高度计、多普勒激光雷达以及闪光激光雷达组成避障敏感器系统;提出载人避障机动方案,采用接近段中制导目标调整、机动段六自由度控制以及缓速下降段滚动姿态机动等方法,并引入了航天员目测以检查月面地形障碍、选择月面着陆点以及手控进行终端避障机动控制。     

基于降落图像匹配的嫦娥三号着陆点位置评估

提出了一种应用着陆器降落相机序列图像和嫦娥二号数字正射影像(DOM)的嫦娥三号着陆点位置评估方法。以高分辨率降落图像上的着陆器位置为基础,通过降落序列图像间的尺度不变特征转换(SIFT)匹配,计算序列图像间的几何转换参数,完成着陆器在低分辨率降落图像上的定位。并通过提取降落图像与嫦娥二号DOM影像上的撞击坑,实现图像间的匹配与几何转换参数的计算,最终得到着陆器在嫦娥二号DOM影像上的位置。通过对比美国"月球勘测轨道器"(LRO)拍摄到的着陆器真实位置,验证了定位方法的有效性,其定位精度在DOM影像1个像素以内。     

基于离散元方法的月球着陆器冲击月壤过程分析

月球着陆器在着陆过程中会产生巨大的冲击作用。为了研究月壤材料对着陆器的缓冲作用,文章针对月壤在细观尺度下的离散分布特性,采用离散元方法建立月壤的计算分析模型。在此基础上,简化着陆器模型仅考虑着陆腿的缓冲性能,对着陆过程中着陆器与月壤相互作用的动力冲击过程进行数值分析。通过调整着陆器的质量以及着陆速度,对着陆器着陆过程中的冲击深度、加速度以及冲击力进行了计算分析,研究了月壤对着陆器的缓冲性能。计算结果表明,月壤材料对着陆器有很好的缓冲作用,这为实现安全稳定的软着陆提供了新的研究方向。采用离散元方法分析着陆器在着陆冲击过程中冲击力的变化规律有助于着陆器结构的合理设计和安全性能评估。     

基于图像的着陆点评估及探测器运动估计方法

针对深空探测任务特点给出了一种基于导航图像的探测器着陆点选择与探测器运 动估计技术。考虑到在着陆初始阶段(探测器高度＞2 km)导航相机所拍摄到的天体表面 近似为平面。这里通过跟踪至少4个平面内的特征点在导航图像序列 中的位置, 利用最小二乘法计算单应矩阵,由该矩阵得到探测器部分相对运动参数。结合激光测距仪给 出的探测器与天体表面之间的距离信息,可以得到全部6自由度参数。安全着陆点的选择与 评估首先利用图像灰度预选出平整的着陆点,再由着陆点对应的单应矩阵和之前获得的帧间 相对运动验证着陆点坡度。蒙特卡洛仿真结果表明,着陆点评估算法能够有效地选取满足平 整和坡度要求的着陆点,运动估计算法实时地对探测器参数进行估计,平移估计相对误 差小于10％,旋转估计误差小于0.23°。
     

“凤凰号”火星探测器着陆过程

文章主要介绍了＂凤凰号＂火星着陆器的着陆过程、着陆点选择方法原则、巡航阶段工作任务,对进入（Entry）、下降（Descent）和着陆（Landing）即EDL阶段的蒙特卡罗分析结果和飞行器重建数值结果进行了总结比较。并对＂凤凰号＂相关的经验和教训进行了比较总结,这对中国未来的火星探测以及其他深空探测具有一定的借鉴作用。     

应用灰度特征的行星陨石坑自主检测方法与着陆导航研究

针对陨石坑阴影不明显的行星着陆导航图像,提出了基于图像灰度值特征的陨石坑自主检测方法,通过兴趣区快速确定陨石坑边缘分布,解决了一般陨石坑检测方法对图像太阳高度角的依赖问题。利用检测出的陨石坑视线信息,采用非线性预测滤波方法估计着陆器着陆阶段的位置和姿态;鉴于视觉着陆导航对照了场景状况的高度依赖性,提出了一种利用分形理论和相邻点分级方法的天体随机地景建模方法。最后验证了所提方法的有效性。     

月球南极着陆区关键特性分析

与月球中低纬度着陆区不同,月球南极地区地形地貌条件较为恶劣,太阳高度角低,对地可见与不可见周期较长,这些关键特性都对南极着陆探测任务提出了挑战。文章结合国内外已开展的研究工作,对南极地区的光照条件、对地可见、地形地貌等方面进行了分析和总结,得到了上述关键特性的规律。南极地区不存在永久光照区,但存在一些几百米尺度的4~9个月的准连续光照区,着陆器的光照条件与着陆器高度密切关联;南极地区光照条件和对地可见受地形影响较大;在50m基线情况下,备选着陆区域平均坡度比较平缓(0°~5°);着陆器尺度5m基线情况下,不同备选着陆区域平均坡度相差较大,最大平均坡度可以达到25°。根据上述分析,对我国开展月球南极探测的任务规划和探测器系统设计提出了建议,主要包括着陆区的选择及探测器主要功能组成等。     

月球着陆器精确定点及安全着陆技术研究

在未来月球探测中,需要对一些地形复杂的区域进行探测,而在这些区域软着陆,潜在的危险性增加,这就要求着陆时具有较高的定位精度并能够自动避险。当前,由于着陆时定点的误差较大,在小范围安全地域准确着陆很难。研究了一种精确定位、安全的软着陆方式,它在软着陆过程中增加了悬停阶段。在这一阶段中,通过着陆区危险地域的识别、着陆地点位置误差的计算,加上对着陆器横向漂移的控制技术,使着陆地点的精度以及着陆生存率大为提高,能够满足未来月球探测的软着陆要求。     

月球着陆器着陆缓冲性能研究

首先基于MSC.Nastran/MSC.Adams软件建立了模拟月球着陆器的动力学模型,并利用模拟月球着陆器在地面冲击试验来验证仿真模型的正确性,重点关注缓冲机构与结构连接处的载荷,结构特征点的加速度响应,以及缓冲器的工作行程。然后利用模拟着陆器地面试验结果修正动力学分析模型,研究表明：着陆器结构和缓冲机构的柔性对缓冲性能具有较大的影响。最后,把动力学分析模型中的模拟结构更换成真实结构,进行着陆器在月球表面的着陆冲击仿真分析,从而获得模拟着陆器地面试验与着陆器在月面着陆的冲击缓冲性能差异。     

月球着陆器有效载荷着陆冲击响应分析

针对传统月球着陆器着陆冲击分析方法未能准确考虑结构柔性对有效载荷着陆冲击响应影响的缺点,提出了一种基于非线性瞬态动力学的着陆器有效载荷着陆冲击响应分析方法。以某型月球着陆器为对象,取其搭载的月球车为研究的有效载荷,建立月球着陆器着陆冲击非线性有限元分析模型。通过分析结果与试验结果对比,验证了模型及方法;进而分析了3种工况下月球车的着陆冲击响应,并研究了着陆器机体及着陆腿结构柔性对其着陆冲击响应的影响。研究结果表明：该方法较之传统着陆冲击分析方法可更为准确的分析有效载荷的着陆冲击响应;着陆器机体和着陆腿结构弹性均能起到减缓月球车着陆冲击响应的作用,其减缓效果分别为0.54g和0.52g,而二者共同作用的减缓效果更是达到了1.54g;着陆腿弹性对所有有效载荷的着陆冲击响应均有减缓作用,但机体结构柔性的减缓作用对其他有效载荷是否适用则需进行有针对性的分析。
     

月球着陆器软着陆动力学建模与分析综述

为解决着陆器研发过程中着陆稳定性、能量吸收和载荷缓冲等问题,需要开展大量的软着陆动力学仿真分析。文章研究分析了过去几十年中,腿式月球着陆器软着陆动力学仿真数学模型的发展过程及一些最新的建模方法。针对软着陆动力学仿真数学模型的3个方面：着陆器模型、月面模型和着陆腿足垫与月壤的接触模型,给出了各种建模方法之间的联系,并对着...     

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。     

着陆冲击仿真月壤本构模型及有限元建模

为建立合理的月壤有限元模型用于着陆器着陆冲击动力学仿真分析,在对已知月壤的相关力学特性参数和试验数据进行分析推理的基础上,推断出月壤屈服面在低围压条件下可能会呈现出剪切膨胀特性,而在高围压条件下则可能会呈现出塑性压缩和应变硬化特性,因此定性地选择帽盖德鲁克-普拉格（Cap Drucker-Prager,CDP）模型作为月壤本构模型。模型的参数通过月壤或模拟月壤的试验数据定量地标定。对着陆器地面着陆冲击试验进行有限元建模和仿真分析,仿真结果表明：模型参数的标定方法是合理可行的;CDP模型可以准确模拟月壤在着陆冲击载荷下的动力学响应,可用于着陆冲击动力学仿真月壤有限元建模。对月壤模型参数进行了参数分析,并评估了月壤模型参数对着陆器着陆冲击性能的影响。     

着陆姿态不确定下的着陆器缓冲机构优化设计

以某型着陆器为研究对象，建立其软着陆过程的动力学仿真模型，并结合Monte Carlo法研究不确定着陆姿态下的某型软着陆性能。然后，分析着陆器的软着陆性能与其缓冲机构构型参数之间的相关关系，并基于实验设计方法与动力学仿真模型得到样本点，建立以着陆器缓冲机构构型参数和着陆姿态参数为输入、软着陆性能指标值为输出的响应面模型。最后，基于响应面模型，考虑着陆器姿态的不确定性，运用结合第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)和多岛遗传算法(MIGA)的分级优化方法实现了着陆器缓冲机构的优化计算，得到了最佳缓冲机构构型参数。通过仿真模型校验，优化后着陆器的抗翻倒能力与底面抗损坏能力分别提升了3.546%和 5.140% 。     

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。