月球软着陆动力下降制导控制技术综述与展望

未来的月球着陆任务将着力于开发月球资源、建立月球基地,这些都离不开月球软着陆技术的支持;而要实现探测器在预选点安全精确地着陆,就离不开动力下降制导控制技术的支持。本文系统地总结了两种成功的月球软着陆及其制导方式,对已有的制导控制方案及其研究进展进行了详细的阐述和对比分析。以未来的月球采样返回和月球基地任务为潜在工程目标,对下一代的月球软着陆动力下降的制导控制及其所涉及的关键科学技术问题进行了比较全面的分析和展望。     

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.     

月球车野外试验场建造因素分析

1前言
　　月球车是嫦娥-3探测器的重要组成部分。它是能适应月球环境,携带科学仪器在月面移动,完成探测、采样、运载等任务的航天器。这是一类特殊的航天器,不同于传统的卫星、飞船。在着陆月面之前,月球车是着陆器的有效载荷,着陆后是独立、完整的移动探测器。为此,在上天前它要进行野外试验。
　　中国月球探测工程分为三期：绕月探测,落月探测,采样返回探测。嫦娥-3任务是探月工程二期关键的一步,主要目标是实现月球软着陆探测与月面巡视勘察,将突破月球软着陆、月面巡视勘察、月面生存、深空测控通信与遥操作。     

月面着陆起飞试验技术研究

可靠、安全地实现月面软着陆及月面起飞是完成月面探测任务的基本条件,也是探测器研制的一项关键技术,需要开展地面验证试验。地面环境与月面有较大的差异,探测器在地面的工作特性也与实际过程不尽相同,地面试验的设计及实施有较大的难度。分析了探测器月面着陆起飞的设计要点和地面试验的关键因素,指出了当前试验技术存在的缺陷,在此基础上提出了一种利用探测器自身动力实现月面着陆和起飞的验证方案,通过动力学仿真验证了试验实施的可行性,并对方案的拓展应用价值进行了展望,相关内容可为后续我国月球及其他行星表面探测器的研制提供借鉴。     

“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。     

中国航天

<正>我国将进行探月三期再入返回飞行试验执行探月工程三期再入返回飞行试验任务的飞行试验器8月10日从北京运抵西昌卫星发射中心,并开展相关测试和试验。试验任务将于今年择机实施,主要验证嫦娥五号任务返回器以接近每秒11.2千米的第二宇宙速度再入返回相关技术。嫦娥三号任务圆满成功后,我国探月工程全面转入三期。作为"绕、落、回"规划的第三步,探月工程三期的主要目标是实现无人自动采样返回,突破月面采样、月面上升、月球轨道交会对接和接近第二宇宙速度再入返回四项核心关键     

天问一号火星软着陆制导、导航与控制系统

天问一号火星探测器成功实现了我国首次火星表面软着陆，进入舱制导导航与控制系统(GNC系统)负责在火星进入下降着陆过程实施进入舱的姿态与轨道控制，确保进入舱安全着陆火星表面.介绍了执行天问一号火星EDL任务的GNC系统飞行阶段划分、系统组成、方案架构，以及针对火星EDL任务的特色设计，最后介绍了GNC系统在轨飞行结果.     

月球采样返回飞控任务多目标协同规划设计

基于月球采样返回任务飞行过程复杂、四器多组合模态协同控制复杂、多类约束关联组合复杂、多种关键控制密集难点,提出了月面采样返回飞行控制任务多目标协同规划设计,确保多目标在轨密集指令与各类型测控资源安排协同有序.分析了月球采样返回与以往月面软着陆和近地交会对接任务的继承差异,设计了复杂多目标器间代传上行控制关系描述、多目标...     

月/火着陆制导方法与考虑不确定性的研究进展

上世纪六七十年代和21世纪后的两轮月/火探测热潮产出了丰硕成果,以Artemis计划、探月工程四期和火星采样返回为代表的新一批任务已拉开帷幕,站在这一特殊历史节点,对月/火着陆制导技术进行综述。首先,阐述了月/火着陆的物理过程,指出了未来复杂探测任务对制导技术的挑战。随后,鉴于轨迹优化这一技术分支近年取得的广泛发展,讨论了其与制导的联系。然后,回顾了月/火探测工程任务的技术遗产,包括多项式制导、动力显式制导、Apollo进入制导、预测校正制导以及凸规划制导。鉴于动力学与环境不确定性的挑战日益突出,讨论了来自人工智能、先进优化与控制等领域的潜在理论工具,能够为制导技术的发展提供新动力。最后,面向随时随地、高精度、高可靠、高自主着陆的制导技术发展需求,总结了后续研究方向。     

月球背面地形对软着陆探测的影响分析

相对于月球正面大面积平坦的月海区域,月球背面地形整体崎岖复杂,因此地形地貌的变化会对探测器的软着陆探测产生一定的影响。从任务设计、着陆器设计和月面工作程序3个方面分析了"嫦娥4号"着陆区南极–艾特肯盆地(South-Pole Aitken Basin,SPA),及其相对于"嫦娥3号"着陆区的变化,主要结论包括:1)着陆区范围缩小,由"嫦娥3号"着陆区经度范围16.4°和纬度范围3°,减小到经度范围约4°和纬度范围约2°;2)动力下降策略更改,动力下降过程主减速段结束后,着陆器由斜向前运动轨迹改为接近垂直向下运动轨迹,同时更改测距敏感器的引入时机;3)提高微波测距测速敏感器信号发射功率和信噪比;4)着陆后需要预测着陆器的光照和测控被地形遮挡的情况,然后制定如休眠或月食模式等相应策略等。通过以上优化设计,"嫦娥4号"任务可适应月球背面地形地貌的变化,有效降低着陆过程和月面工作的风险。     

月球软着陆过程高精度自主导航避障方法

针对未知地形和障碍会危及着陆安全的问题,给出了一种月球软着陆过程高精度自主导航避障方法,主要包括基于IMU配以测距测速修正的自主绝对导航、障碍识别与目标着陆点选取、针对目标着陆点的相对导航与相对避障控制等算法。该方法在保证着陆精度的同时也大大降低了着陆过程遇到障碍的风险,提高了系统的安全性,已成功应用于实际工程任务。     

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.      

地月拉格朗日L2点中继星轨道分析与设计

地月L2点位于地月连线的延长线上,在地月L2点运行的卫星可以连续观测月球背面,解决月球背面与地球之间的通讯问题,在月球背面着陆探测任务中起着至关重要的作用。对从地球出发、利用月球引力辅助变轨、形成地月L2点的轨道进行了研究,分析了发射窗口、地月转移时间、近月点高度、近月点倾角、轨道振幅等多项因素对转移轨道和使命轨道特性的影响,寻求满足地月L2点中继任务需求的飞行轨道。通过分析研究,文章明确了转移和使命轨道的相关特性,可为中继星任务轨道的参数设计和优化提供有益参考。     

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。     

“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计

介绍了"嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极–艾特肯(South PoleAitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信,并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭,分别完成中继星和着陆器–巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷,开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外,还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜,分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务,充分继承成熟技术和产品,增加中继通信功能模块,开放资源引入高性能载荷和搭载项目,将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。     

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。     

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.