天问一号探测器高动态着陆惯导系统设计与试验

考虑到火星探测任务着陆过程动态变化大,稀薄大气环境下开伞会对探测器产生剧烈晃动,为此天问一号探测器研制了一套高动态着陆惯导系统,从硬件产品、使用时序到导航算法方面均进行了针对性设计,以适应着陆过程中的高动态环境.此外,为验证天问一号探测器高动态着陆惯导系统的性能,设计了模拟火星开伞工况的火箭弹高空开伞试验,结果表明该高...     

深空自主着陆导航技术研究与展望

随着深空探测活动范围的快速扩大,探测器需要在天体实施着陆与返回,因此对导航技术的自主性和精度要求越来越高。提出一种基于视觉/惯性的组合导航系统,该系统的计算机视觉模块采用SURF算法,不仅可以实时地确定探测器的位置,而且能够确定探测器的姿态;惯性导航模块实时获取探测器的位置、速度和姿态信息;组合导航系统采用Kalman滤波技术,将计算机视觉模块和惯性导航模块获取的位置、姿态信息进行组合。该组合导航系统将惯导系统与视觉系统信息融合,通过引入计算机视觉系统所获得的位置和姿态信息,可以有效减小惯导系统误差。仿真结果证明,这种组合导航系统能够有效提高系统导航精度。文中还展望了深空探测器天体着陆导航技术未来的发展趋势。     

火星探测器减速着陆技术特点

针对火星上的稀薄大气环境和火星探测器的着陆要求,对火星探测器减速着陆技术进行了系统的分析,探讨了火星探测器减速着陆系统、气动外形、降落伞和着陆缓冲等相关环节的技术特点,为未来火星探测器减速着陆系统的设计提供参考。     

行星着陆大气进入段自适应滑模抗扰控制方法

针对行星探测器着陆过程可能存在的干扰影响着陆精度问题，提出了一种抗干扰控制方法。首先建立行星探测器着陆控制模型，利用非线性干扰观测器实现对系统外部干扰的估计；在此基础上提出一种自适应滑模控制律，使得系统状态快速收敛到平衡点附近。最后，将该方法应用于火星着陆场景进行仿真。结果表明，提出的自适应滑模控制方法能够在未知扰动存在的情况下，有效实现行星探测器安全着陆，提高着陆任务的成功率。     

月球探测器着陆性能若干影响因素分析

软着陆缓冲装置是月球探测器的核心组成,对其着陆过程进行动力学分析 是着陆器设计的重要环节。论文以四腿悬架式着陆器为研究对象,首先在综合考虑月面非线 性变形、反推火箭残余应力、姿态控制力等基础上建立了探测器倾斜月面着陆过程动力学方 程。其次,研究了月面摩擦系数、月面着陆倾斜角度、反推火箭残余应力、着陆速度对探测 器着陆性能的影响。结果表明探测器着陆稳定性能伴随着月球表面土壤摩擦系数、月面倾斜 角度、着陆速度的升高而急速降低;探测器反推火箭残余应力虽能较大地减缓月面对着 陆器的冲击,但过大却容易导致探测器在月面反弹甚至翻滚。
     

月球探测器软着陆动力学仿真

随着深空探测技术的发展,新型月球探测器需要在遍布石块、陨石坑和斜坡等复杂月球表面上着陆,因此有必要对月球着陆探测器的着陆性能进行评估。本文对一种四腿可展开式着陆器进行了合理简化,并用ADAMS软件建立了着陆动力学仿真模型。模型中应用子程序表达缓冲铝蜂窝和月壤的力学性质,通过在预研着陆器的仿真模型上加载,实现了系统的仿真;并得到了月球探测器以给定姿态和着陆速度在不同地面坡度和月壤物理特性下的着陆性能及一般规律,对我国月球探测器软着陆动力学研究具有一定参考价值。     

月球探测器软着陆缓冲机构着陆性能分析

铝蜂窝缓冲器是月球探测器软着陆机构常用缓冲装置。首先针对简化 二级蜂窝缓冲装置在LS\|DYNA中进行着陆过程大变形模拟仿真分析;其次对探测器机体变 形对着陆性能的影响进行研究。研究结果表明探测器采用多级蜂窝缓冲装置,在着陆过程中 当第一级蜂窝材料完全压缩时,探测器加速度响应最大;由于探测器机体柔性变形改变了相 应连接约束的位置从而使着陆器着陆性能恶化。     

深空微波着陆雷达系统发展现状和趋势

深空微波着陆雷达是深空探测器GNC分系统重要载荷之一，为GNC分系统提供探测器相对着陆星体表面的距离与速度信息，确保着陆精度和安全。文章从系统设计、参数设计等各个方面对深空微波着陆雷达技术国内外现状进行综述，探讨了其技术发展趋势，为后续深空微波着陆雷达发展提供研究思路。     

科技成果

<正>人类空间探测器首次成功着陆彗星据中国科技网2014年11月13日报道,ESA的罗塞塔号彗星探测器携带的"菲莱"着陆器成功在67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星上着陆。ESA表示,这是人类探测器首次成功在彗星上着陆。在超速飞行的彗星上着陆,标志着罗塞塔号探测器10年任务达到高潮。不过,在整个任务中,"菲莱"传输的数据仅约占1/5。即使着陆不成功,任务也不算失败,因为罗塞塔号探测器能够独自完成任务的80%。该任务预计在2015年结束,任务结束后,主轨道器还将继续绕彗星飞行,直到2016年底。该项目耗资13亿欧元,探测器于2004年发射升空,历经     

遮挡阴影对月球探测器热设计的影响分析

月球探测器遮挡形成的阴影是探测器着陆月面之后热设计需要考虑的重要因素,文章从理论上分析了月球探测器着陆于平坦月面地区之后形成的阴影对探测器侧面和底面的影响,并通过建模计算对理论分析结果进行了验证,从而为月球探测器在侧面和底面开设散热面的可能性提供理论依据。     

GEO非合作目标超近距相对位姿视觉测量

提出一种基于几何特征综合匹配的双目超近距相对位姿视觉测量方法。首先,将失效卫星的矩形太阳帆板作为几何特征,采用综合匹配方法实现了双目图像的高精度匹配,随后基于几何特征指标参数判别和ROI检测方法,实现了卫星太阳帆板特征点组的识别与提取,在此基础上,进一步建立了目标坐标系,通过三维重建完成了超近距阶段失效卫星的相对位姿高精度解算。最后建立了高精度双目视觉超近距相对测量实验系统,结合所提出的综合匹配算法和相对位姿解算方法,完成了动态非合作目标的相对位姿测量实验,实验结果说明所提出的方法具有较好的实时性和较高的精度。     

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讯延迟，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着器着陆小天体。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。     

行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航研究进展

基于行星定点软着陆探测任务的需求,围绕复杂形貌行星着陆过程环境特点,首先分析了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航所面临的主要技术挑战,随后综述了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航的研究现状,并概括了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航所涉及的关键技术。最后对未来行星着陆探测复杂形貌特征匹配与自主导航发展方向进行了展望。     

基于三维地形匹配的月球软着陆导航方法研究

针对月球探测器定点着陆任务的需要,研究了基于三维地形匹配的导航方法。对三维地形匹配问题,将高程方差图局部极值点作为三维地形特征,在构建地形特征之间的相对位置与角度不变量的基础上,提出了基于投票的三维地形匹配策略。针对测量噪声统计特性的不确定性,将Sage\|Husa噪声估计算子与迭代卡尔曼滤波相结合,通过对测量噪声进行在线估计有效避免滤波精度下降甚至滤波发散的出现。数字仿真结果表明所研究的导航方法能够有效地实现探测器相对位置和姿态的精确估计。     

Analysis of the Accuracy of Ballistic Descent from a Circular Circumterrestrial Orbit

The problem of the transportation of the results of experiments and observations to Earth every so often appears in space research. Its simplest and low-cost solution is the employment of a small ballistic reentry spacecraft. Such a spacecraft has no system of control of the descent trajectory in the atmosphere. This can result in a large spread of landing points, which make it difficult to search for the spacecraft and very often a safe landing. In this work, a choice of a compromise scheme of the flight is considered, which includes the optimum braking maneuver, adequate conditions of the entry into the atmosphere with limited heating and overload, and also the possibility of landing within the limits of a circle with a radius of 12.5 km. The following disturbing factors were taken into account in the analysis of the accuracy of landing: the errors of the braking impulse execution, the variations of the atmosphere density and the wind, the error of the specification of the ballistic coefficient of the reentry spacecraft, and a displacement of its center of mass from the symmetry axis. It is demonstrated that the optimum maneuver assures the maximum absolute value of the reentry angle and the insensitivity of the trajectory of descent with respect to small errors of orientation of the braking engine in the plane of the orbit. It is also demonstrated that the possible error of the landing point due to the error of specification of the ballistic coefficient does not depend (in the linear approximation) upon its value and depends only upon the reentry angle and the accuracy of specification of this coefficient. A guided parachute with an aerodynamic efficiency of about two should be used at the last leg of the reentry trajectory. This will allow one to land in a prescribed range and to produce adequate conditions for the interception of the reentry spacecraft by a helicopter in order to prevent a rough landing.     

Study on passive momentum exchange landing gear using two-dimensional analysis

This paper discusses a landing response control system based on the momentum exchange principle for planetary exploration spacecraft. In the past, landing gear systems with cantilever designs that incorporate honeycomb materials to dissipate shock energy through plastic deformation have been used, but once tested before launch, the system cannot be used in a real mission. The sky crane system used for the Mars Science Laboratory by NASA can achieve a safe and precise landing, but it is highly complex. This paper introduces a momentum exchange impact damper (MEID) that absorbs the controlled object׳s momentum with extra masses called damper masses. The MEID is reusable, which makes it easy to ensure the landing gear׳s reliability. In this system, only passive elements such as springs are needed. A single-axis (SA) model has already been used to verify the effectiveness of MEIDs through simulations and experiments measuring the rebound height of the spacecraft. However, the SA model cannot address the rotational motion and tipping of the spacecraft. This paper presents a two-landing-gear-system (TLGS) model in which multiple MEIDs are equipped for two-dimensional analysis. Unlike in the authors׳ previous studies, in this study each MEID is launched when the corresponding landing gear lands and the MEIDs do not contain active actuators. This mechanism can be used to realize advanced control specifications, and it is simply compared with previous mechanisms including actuators, in which all of the MEIDs are launched simultaneously. If each MEID works when the corresponding gear lands, the rebound height of each gear can be minimized, and tipping can be prevented, as demonstrated by the results of our simulations.     

月面着陆多尺度边缘光流特征提取与跟踪方法

针对月面着陆器动力下降过程中，基于描述子的传统视觉特征提取和跟踪方法耗时长、误匹配率高等问题，提出一种采用边缘光流的多尺度特征提取与跟踪方法。首先通过构建序列图像金字塔和应用多级掩膜提取方法，改善了图像平面上特征点分布的均匀性；在此基础上，利用边缘直方图灰度差平方和(SSGD)滑窗搜索算法，将光流计算由二维迭代简化为一维匹配，大幅缩短了算法耗时；进一步利用多尺度边缘直方图迭代搜索算法在改善大尺度运动下特征跟踪鲁棒性的同时，将光流计算精度拓展至亚像素级。仿真结果表明，本方法计算耗时不超过描述子方法的50%，非大尺度运动下具有更高的稳定跟踪特征点数目，大尺度运动下相比描述子方法下降不超过15%，在跟踪效率和稳定性方面取得了较好的平衡。     

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。     

地基光学图像中本体-帆板结构航天器姿态估计方法

提出一种利用地基光学图像估计空间目标姿态的方法。针对本体-帆板结构航天器外形结构特点，定义了一种不易遮挡的两轴结构特征，设计了地基光学图像中该特征的提取方法；根据航天器成像过程建立了特征点二三维几何投影方程，实现了航天器三维姿态的解算。利用单站序列图像，可获得航天器姿态变化角速度信息。在轨航天器的试验结果表明，本方法能有效地从地基光学图像估计出航天器姿态。     

空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法

空间飞行器交会对接的最后逼近阶段，通常采用光学成像敏感器来测量跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态。考虑到飞行器在轨运行期间，CCD相机受空间环境的影响，其内参数会发生变化的实际情况，提出了一种单CCD在轨自检校光学测量方案，其主要特点是飞行器在执行测量任务时，可同时进行相机内参数的自检校。首先根据严格的中心投影共线条件方程，推导出目标飞行器光学特征点坐标和对应的像点坐标与内参数及相对位置和姿态的严格解析关系；然后建立了内参数及相对位置和姿态的解析表达式；提出了目标航天器上光学特征点的布设要求。通过严格的理论分析和数值仿真，单CCD在轨自检校光学测量方案具有可靠性高、精度高、算法易实现、适应能力强等优点。