基于降落图像的安全着陆点选择技术研究

深空探测中,着陆器降落过程中自主避障和自主着陆点选择是安全着陆的关键。文章主要研究了基于降落图像的星体表面障碍物识别和着陆点选择技术。首先利用着陆器高度信息和降落相机参数计算每幅降落图像的分辨率;其次对每一幅图像障碍物进行阴影检测;再次,提取障碍信息;最后选出备选的安全着陆点。文章对石头障碍进行了仿真,结果表明：这种方法能够准确、快速地为着陆器提供着陆区的安全信息,并能够为着陆器提供出备选的安全着陆点。     

嫦娥四号探测器着陆区精确选择与评价系统设计

根据主要的科学探测目标和工程约束条件筛选出了适宜嫦娥四号任务着陆的大范围区域。嫦娥四号探测器的着陆区选择需要兼顾科学探测目标、工程实现的约束以及着陆区的环境、表面特征等等。其中,着陆区的表面特征主要包括坡度、撞击坑及岩石丰度、地形对光照遮挡情况等,直接影响了动力下降过程、着陆安全及月球巡视器的车体移动能力,也是影响着陆区选择的重要因素。基于已有的着陆区遥感测绘数据,对着陆区范围内的关键地形进行了统计分析。并通过模糊推理,建立并应用了着陆区选择及评价模型,在大范围着陆区域中精确筛选出了小范围的着陆区。最后,根据嫦娥四号任务实际在轨飞行过程,对该方法进行了验证。文章所使用的地形确定及筛选方法,可以为后续地外天体软着陆探测任务提供借鉴。     

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。     

嫦娥四号着陆器月面定时定点着陆轨道控制策略设计与实施

嫦娥四号着陆器的着陆区范围仅为嫦娥三号着陆区范围的5%。为满足在月球背面狭窄着陆区的高精度着陆需求,在嫦娥三号单层迭代的轨道控制策略基础上,提出了一种基于双层迭代的高精度定时定点月面软着陆轨道控制策略,以环月轨道倾角和环月半长轴为设计变量,设计了多发射窗口的定时定点着陆的标称轨道;再通过在近月制动及后续环月轨道控制中引入面外修正速度增量,逐次缩小轨道控制残差,解决了着陆区范围缩小带来的动力下降初始点的位置和时刻精确瞄准的需求。在轨着陆任务完成时,着陆器在动力下降初始点的落点经度预报偏差优于0.1°,落点时刻预报偏差小于1min,表明该轨道控制策略满足任务要求。     

嫦娥四号着陆点区域高分辨率数字高程模型构建

嫦娥四号登月探测器成功着陆于冯·卡门撞击坑内,实现了人类历史上首次月背软着陆。嫦娥四号登月探测器着陆区的高分辨率数字高程模型(DEM)对后续任务顺利开展至关重要,着陆点区域的三维地形可为月球探测提供关键空间信息支撑,但在嫦娥四号着陆点区域,月球轨道激光高度计生成的DEM/LOLA DEM分辨率仅有30 m,未见公布高分辨率DEM。基于高分辨率的月球勘测轨道飞行器窄角相机(LROC NAC)影像,利用摄影测量法和阴影恢复形状方法(SFS)针对嫦娥四号着陆点区域,生成了着陆点区域的高分辨率DEM。结果表明,SFS法生成的DEM分辨率更高,重建的地形更加精细。     

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。     

嫦娥五号探测器自主着陆视觉避障方法与评价

对嫦娥五号探测器的视觉自主避障系统组成、方案及原理进行介绍。采用光学粗避障加激光精避障的两级接力避障模式,在光学粗避障阶段利用K均值聚类对图像障碍进行分割,对分割结果采用Delaunay三角剖分,并设计安全系数评价方法选择安全落点;在激光精避障阶段提出概率模型评价点云所示区域的着陆安全性。对两级避障的在轨图像利用上述方法进行仿真分析,并对着陆区域的安全性进行评价。结果显示两级避障均合理有效。     

月面定点着陆变轨策略研究

在调研已有文献经验的基础上,考虑我国开展月球探测任务中实现月面定点着陆的设计约束的特殊性,对圈次调整、调相和轨道面调整等不同定点着陆变轨策略进行了比较分析,结果表明:月球探测任务中月面定点着陆的轨道设计需要考虑两个关键因素,即采用一个2对2的瞄准机动来达到理想的动力下降起始点高度和着陆点纬度,另外,还需要实施轨道平面调整机动来取得理想的着陆点经度,这个机动可以和近月制动或降轨变轨结合起来实施。     

定时定点月面着陆全程轨道控制设计

针对定时定点月面着陆的目标要求，提出了全程轨道控制设计方法。进行了包括地月转移、近月制动、环月降轨和动力下降的全程轨道控制的分段设计和联合规划，实现在入轨轨道偏差条件下的定时定点月面着陆。分别构建了中途修正、近月制动、环月降轨三段轨道控制的规划变量和目标参数；根据轨道倾角建立了动力下降点与着陆点的匹配转换关系。设计了中途修正、近月制动、环月降轨、动力下降的全程轨道控制策略的联合规划。建立了着陆位置偏差与轨道倾角偏差、着陆时间偏差与轨道半长轴偏差的修正关系，修正设计了中途修正目标倾角和近月制动目标半长轴。仿真算例表明，在入轨偏差轨道条件下，保证了中途修正后的飞行轨道与标称轨道基本一致，实现了与标称状态基本一致的定时定点月面着陆。可应用于月球着陆、月球采样返回以及载人登月等实施月面定时定点着陆任务的轨道设计和控制实施。     

月球详查探测的载荷配置分析

在对地外天体进行着陆/巡视探测前,一般都需要进行环绕详查探测,对期望的着陆区域进行详细的地形、地貌勘察,为后续着陆探测器的安全着陆提高安全系数,同时也可以帮助选择具有较高科学考察价值的着陆点。文章对月球详查探测器的载荷配置特点进行了分析,提出了我国月球详查探测器载荷配置方式的建议。     

火星着陆地形信息融合分析技术

文章以火星探测任务为背景,介绍了两种用于实时地形安全性评估的基于多敏感器的地形信息融合分析技术。这些技术综合考虑了影响着陆器安全着陆的多种地形特性信息,如地形粗糙度、坡度等,并且计算简单、处理速度快,能够满足火星着陆实时地形安全分析的要求。     

月球探测器着陆中基于被动图像的着陆场搜索及斜坡估计

在无人探测器月面软着陆技术研究中,因为月球表面障碍物对探测器着陆 安全构成的威胁,所以首先需要解决的是安全着陆区域确定及其坡度估计的问题。从被 动图像角度出发,研究了基于灰度变化的着陆区域确定和基于两视图几何的候选着陆区域坡 度估计的方法。首先,研究了一种基于多尺度窗口区域内灰度变化标准差的安全着陆候选区 域确定方法;其次,为了计算基础矩阵F和单应矩阵H,本文利用SIFT算法和RANSAC策略 进行特征点检测和跟踪;最后,本文利用平面单应H和基础矩阵F的相容性原理,提出了一种 斜坡坡度估计方法。和同类方法相比,该方法无需探测器位姿转移参数。利用该方法得到的 斜坡估计结果和其他方法的结果比较后可知：本文提出的方法检测出的坡度误差能够满足着 陆过程中斜坡检测的要求。     

惯导/测距/测速相结合的安全软着陆自主导航方法

针对地外天体软着陆中惯导误差随时间增大,无法提供准确的高度和三维速度信息的问题,提出了一种惯导、测距和测速相结合的安全软着陆导航方法。该方法以惯导为基础,利用测距仪修正惯导的高度信息,利用测速敏感器修正惯导的速度信息。详细介绍了惯性导航的基本原理及测距、测速组合修正的策略,对软着陆过程的动力学模型、敏感器测量模型、滤波方程、地形对修正的影响,以及组合使用的策略和算法等问题进行了论述。数学仿真结果表明惯导、测距和测速相结合的方法能够满足安全软着陆的需要。     

行星着陆探测中的动力学与控制研究进展

着陆探测是获取行星特性和科学数据最直接、最有效的途径,也是目前技术难度最大、最为复杂的探测方式。在行星着陆探测过程中,动力学与控制是影响任务成败的关键因素之一。文章首先分析了行星着陆探测动力学与控制研究所面临的挑战与难题;然后,针对火星和小行星的着陆探测,重点分析了火星着陆进入段和下降段所涉及的动力学与控制,小行星附着探测动力学建模与制导控制的研究现状与关键问题;最后,提出了我国在行星着陆探测动力学与控制领域的未来重点发展方向。     

“阿波罗”登月舱的软着陆支架

登月舱的软着陆支架是确保月面探测活动及宇航员返回地球的关键装置。文章对“阿波罗”登月舱软着陆支架进行了介绍,描述了其技术指标、功能要求和基本组成,并对“阿波罗”登月舱软着陆支架的构型设计,主支柱、辅助支柱、足垫、展开架、收拢释放机构、展开锁定机构、触杆高度器以及铝蜂窝缓冲元件的设计方案进行了说明。鉴于“阿波罗”登月舱软着陆支架的设计通过了多次飞行试验的验证,文章结合“阿波罗”登月舱软着陆支架的方案,提出了中国载人登月工程中登月舱软着陆支架研制的建议。     

气体参数对气囊缓冲特性的影响分析

缓冲气囊具有系统简单、质量轻、贮存体积小等优点,在航天器的返回回收与探测器的着陆缓冲中有较广泛的应用。美国的＂探路者＂、＂机遇号＂和＂勇气号＂火星探测器都采用了缓冲气囊系统作为其着陆缓冲装置。文章通过流体力学和热力学的理论推导,提出了可能会对气囊的着陆缓冲过程产生影响的气体参数,通过MSC Dytran软件仿真计算了不同气体参数下球形火星着陆缓冲气囊的缓冲过程,并分析了各参数对气囊缓冲特性的影响。研究结果可以为后续的气囊设计及试验提供帮助,并为中国下一步开展火星着陆探测任务提供一定的参考。     

"火星探测漫游者"降落伞的研制

概述了“火星探测漫游者”探测器的降落伞系统,并介绍了降落伞系统的组成和性能,以及降落伞的研制过程的主要工作,尤其是设计人员解决和处理的一些细节问题。     

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。     

行星着陆轨迹优化技术研究进展

针对行星大气进入、动力下降过程动力学环境及约束条件等进行了分析,回顾了近年来行星着陆轨迹优化的研究现状。在此基础上,结合行星着陆轨迹优化技术在动力学特征、约束条件、不确定环境方面的特点,从非线性动力学的等价/近似变换技术、复杂约束条件下的最优轨迹快速求解技术、不确定条件下的能控/能达性分析技术三个方面,对行星着陆轨迹优化的关键技术进行了梳理。