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。     

月球软着陆器动力学建模研究

建立准确、实用的月球着陆探测器动力学模型,是制导、导航和控制系统方案设计中的首要工作,文中月球软着陆探测器的推进剂贮箱采用横向对称分散布局的形式,并分析了布局方式对液体推进剂晃动的影响;将贮箱内液体考虑一阶弹簧质量模型,应用虚功率原理建立包含液体推进剂晃动的月球软着陆探测器从动力下降段至最终着陆段的动力学模型,并对动力学下降段进行了数值仿真,仿真结果可为月球软着陆探测器控制系统设计提供理论参考。     

月球引力转弯软着陆的制导控制研究

对于月球引力转弯软着陆过程 ,采用反馈线性化方法 ,对高度和速度信息分别设计了跟踪制导控制律 ,并应用微分几何的有关理论证明了这两种跟踪制导控制系统的李雅普诺夫稳定性。此外 ,根据软着陆系统推力、燃料和状态的约束条件 ,给出了引力转弯着陆过程初始条件的可达集合。最后给出的软着陆跟踪制导实例 ,只需要测得斜向距离、速度和姿态角度信息。这种制导方法测量简单 ,适于低成本的软着陆任务。     

月球引力转变软着陆的制导控制研究

对于月球引力转变软着陆过程,采用反馈线性化方法,对高度和速度信息分别设计了跟踪制导控制律,并应用微分几何的有关理论证明了这两种跟踪控制控制系统的李雅普诺夫稳定性。此外,根据软着陆系统推力、燃料和状态的约束条件,给出了引力转变着陆过程初始条件的可达集合。最后给出的软着陆跟踪制导实例,只需要测得斜向距离、速度和姿态角度信息。这种制导方法测量简单,适于低成本的软着陆任务。     

基于自适应预测校正的月球软着陆制导控制方法

应用自适应预测制导方法，研究月球软着陆过程中的制导控制问题。作为一种具有逻辑结构的构造性方法，本文概述了自适应预测制导方法的实现步骤。针对月球软着陆过程中制导控制量少于被控制量这一“欠驱动”问题，在已有的基于一阶特征模型的全系数自适应预测校正方法的基础上，将输入输出相等的系统拓展为输入少于输出的“欠驱动”系统，以满足对位置、速度矢量同时进行制导控制的需要。本文针对初始状态误差、推力偏差、质量偏差以及比冲偏差下的软着陆过程，进行了Monte Carlo仿真分析，结果表明，自适应预测制导方法可有效用于月球软着陆过程的制导控制，且具有较高的精度和较强的鲁棒性。     

美国正在开发月球着陆器传感器技术

美国航空航天局（NASA）正在开发的月球着陆器传感器技术,属于该局的自主着陆和危险避免技术（ALHAT）项目,旨在发展降落和着陆制导、导航和控制（GNC）软硬件技术。这些技术用于实现月球着陆器的自主识别及制导,使其能安全着陆并判断下降过程中的着陆危险。     

行星着陆自主导航与制导控制研究现状与趋势

行星着陆自主导航与制导控制技术是行星着陆过程的核心技术之一,关系到行星着陆任务的成败。本文基于未来火星和小天体着陆对自主导航与制导控制技术的发展需求,阐述了进一步开展自主导航与制导控制研究的必要性,围绕行星着陆过程环境特点,分析了自主导航与制导控制技术所遇到的挑战,随后概括了行星着陆自主导航与制导控制所涉及的关键技术,并综述了关键技术的研究现状。最后对我国未来行星着陆探测自主导航与制导控制技术的发展方向进行了展望。     

火星软着陆能量最优制导律转移能力分析

着陆器在动力下降段的转移能力是影响定点软着陆的重要因素。文章从转移能力的角度出发,研究火星软着陆动力下降段能量最优制导律,分析燃料质量系数、时间权重以及不同初始高度和速度对转移能力的影响。由于能量最优制导律不能保证满足路径约束,因此对于确定的着陆器初始状态,着陆器转移能力不仅与燃料质量系数有关,还受到制导律本身的制约。当转移距离超过一定的界限时,尽管燃料充足,着陆轨迹会进入地表以下,造成任务失败。时间权重是能量最优制导律的关键参数,既影响燃耗,也影响着陆轨迹的形状。实际工程任务中,为实现燃料的充分利用,需根据着陆器状态调整制导律中的时间权重。本文给出了最优时间权重的确定方法,实现了一定燃料质量系数下的最大转移能力。     

月球重力转弯软着陆的模糊变结构控制

针对月球软着陆的最终段,提出了以重力转弯方式进行软着陆的模糊变结构制导律.首先设计了次优滑动面,然后引入模糊控制器,使滑动变量逐渐收敛到0,实现安全着陆.考虑了发动机推力偏差、着陆器初始质量估计偏差、月球引力加速度偏差、初始条件干扰、敏感器测量误差及姿态跟踪误差.并用Monte Carlo技术验证了所设计的模糊变结构制导律具有很强的鲁棒性,能够克服各种随机偏差及干扰的影响.因此,所设计的软着陆制导律是可行的,并且只须以斜向距离和斜向速度作为输入,工程实现简单.      

嫦娥三号何处安家?

<正>实现着陆器在月球表面软着陆是嫦娥三号此行最为引人注目的一笔,实现这一目标的关键有三个:一是着陆器能否在月面上成功着陆,二是着陆器在哪里着陆,三是着陆器着陆后能否完成科学探测任务。让我们先来看看月球探测软着陆场选择需遵循哪些原则?科学家认为,为了完成月球软着陆探测任务,软着陆区域的选择应该既能满足科学探测的需要,又具有实现可行性。比如,选在月球的背面肯定是不行的,因为非常不便于与地面的通信联系。那么,中国选择探测器软着陆区应该遵循哪些原则呢?     

“嫦娥三号”探测器软着陆自主导航与制导技术

"嫦娥三号"探测器首次实现了我国航天器在地外天体软着陆,制导导航与控制技术是软着陆任务成功的关键。针对高安全和高可靠软着陆任务的要求,设计了包含接力避障的软着陆飞行程序,提出了单波束分时修正与多波束融合修正的自主导航方法和自适应动力显式制导、无迭代多项式粗避障制导以及内外环结合的精避障制导等方法。实际在轨飞行结果表明,导航算法提供了高精度的状态估计,制导算法实现了高精度状态控制和有效避障机动,确保了软着陆落月的安全性和可靠性。     

MCAV/IMU integrated navigation for the powered descent phase of Mars EDL

Pin-point landing is considered as a key technology for future manned Mars landing and Mars base missions. The traditional inertial navigation system (INS) based guidance, navigation and control (GNC) mode used in the Mars entry, descent and landing (EDL) phase has no ability to achieve the precise and safe Mars landing, so novel EDL GNC methodologies should be investigated to meet this goal. This paper proposes the MCAV/IMU integrated navigation scheme for the powered descent phase of Mars EDL. The Miniature Coherent Altimeter and Velocimeter (MCAV) is adopted to correct the inertial bias and drift and improve the performance of integrated navigation. Altitude and velocity information derived from MCAV and the lander’s state information sensed by inertial measurement unit (IMU) are integrated in extended Kalman filter algorithm. The validity of the proposed navigation scheme is confirmed by computer simulation.     

Deep reinforcement learning for six degree-of-freedom planetary landing

This work develops a deep reinforcement learning based approach for Six Degree-of-Freedom (DOF) planetary powered descent and landing. Future Mars missions will require advanced guidance, navigation, and control algorithms for the powered descent phase to target specific surface locations and achieve pinpoint accuracy (landing error ellipse <5 m radius). This requires both a navigation system capable of estimating the lander’s state in real-time and a guidance and control system that can map the estimated lander state to a commanded thrust for each lander engine. In this paper, we present a novel integrated guidance and control algorithm designed by applying the principles of reinforcement learning theory. The latter is used to learn a policy mapping the lander’s estimated state directly to a commanded thrust for each engine, resulting in accurate and almost fuel-optimal trajectories over a realistic deployment ellipse. Specifically, we use proximal policy optimization, a policy gradient method, to learn the policy. Another contribution of this paper is the use of different discount rates for terminal and shaping rewards, which significantly enhances optimization performance. We present simulation results demonstrating the guidance and control system’s performance in a 6-DOF simulation environment and demonstrate robustness to noise and system parameter uncertainty.     

嫦娥五号探测器GNC系统设计

为实现我国首次月球样品无人采样返回任务,设计了嫦娥五号(Chang’E 5)探测器制导、导航与控制(GNC)系统.根据任务要求和探测器特点,GNC系统设计分为轨道器GNC子系统、返回器GNC子系统和着上组合体GNC子系统.给出了嫦娥五号探测器GNC系统的架构设计、工作模式以及在轨飞行结果.结果表明,GNC系统设计正确,成功完成了动力下降、起飞上升、交会对接、返回再入等关键动作,实现了月球表面起飞上升、月球轨道交会对接以及携带月壤以近第二宇宙速度二次再入返回的三项首次任务,各项功能性能满足任务要求.     

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。      

火星大气进入下降着陆段测控通信关键技术研究

着眼于我国首次火星探测任务着陆器EDL(Entry Descent and Landing)飞行段高风险特性,结合火星大气和地表环境分析了这一飞行阶段的主要特点和难点,系统地回顾了国外历次火星着陆任务的基本概况和任务失败的经验教训,并以美国"好奇号"着陆任务为例介绍了EDL期间可采用的主要通信手段,详细梳理了火星大气黑障段通信策略、调制体制选择以及高动态弱信号检测处理方案等测控通信需要解决的关键技术。最后对我国首次火星探测任务的关键技术攻关,任务准备和实施提出了建议。