小行星附近制导与控制研究综述

由于小行星具有引力场不规则、物理参数不确定性大、表面逃逸速度小等因素,使得小行星附近制导和控制极具挑战性。回顾了小行星探测任务的历史、现状和意义;针对小行星附近制导与控制研究的基础即小行星附近动力学,分析了研究现状;针对悬停、绕飞、转移、着陆等任务形式,详细介绍了轨道制导和控制方法方面的热点问题和研究现状;基于研究现状,列举了部分未来可进一步研究的方向和问题。     

三小行星系统216 Kleopatra引力场中的动力学

主带三小行星系统216 Kleopatra是由主星216 Kleopatra及两个小月亮(moonlet)Alexhelios[S/2008(216)1]和Cleoselene[S/2008(216)2]组成。其中主星216Kleopatra是一个具有强不规则形状如哑铃的连接双星,大小为217km×94km×81km,外小月亮Alexhelios大小约为8.9km,内小月亮大小约为6.9km。其动力学行为具有非常丰富的科学内涵。研究了三小行星系统216Kleopatra自身的动力学机制及其引力场中探测器的运动规律,分析了主星质心固连系中探测器的动力学方程,给出了三小行星引力全多体问题的动力学方程及Jacobi积分,方程考虑了三个小行星的不规则外形、轨道与姿态。发现三小行星系统216Kleopatra主星引力场中一种新的周期轨道族的倍周期分岔。考虑主星的不规则精确外形与引力、两个小月亮的相互作用,研究了该三小行星系统的动力学构形。发现Kleopatra的强不规则几何外形及两个小月亮Alexhelios和Cleoselene的相互作用引起两个小月亮的轨道参数的显著变化。     

应用太阳帆悬停探测哑铃形小行星

研究了太阳帆航天器在哑铃形小行星引力场内的悬停探测可行性问题。哑铃形小行星代表了一类细长形的小行星,文中首先建立哑铃形小行星的简化动力学模型。针对可变反射面积的太阳帆,给出其在小行星引力场内的悬停动力学方程,并仿真求解了哑铃形小行星附近的太阳帆可行悬停探测区域。     

近地小行星探测目标的选择

正1探测近地小行星面临的问题探测是研究的基础,但与探测大天体相比,小行星探测面临许多新问题,这些问题包括:1)近地小行星(NEA)数量巨大,截至2017年5月1日,已经发现了16089颗。从众多的天体中选择探测目标,其难度可想而知。2)近地小行星的轨道各异,如轨道倾角、偏心率、自旋周期、半主轴长度等参数相差很大。根据美国航空航天局(NASA)喷气与推进实验室(JPL)给出的数据,近地小行星轨道     

小天体附近的轨道动力学研究综述

小天体附近的轨道动力学是现代天体力学的一个重要研究方向,包含着丰富的物理现象和深刻的数学内涵;随着一系列小行星实地探测任务的深入开展,理解小天体附近的轨道运动规律也成为航天领域所面对的众多挑战之一。回顾了小天体研究和探测的历程,分析了小天体附近轨道动力学问题的基本特点和科学价值;详细介绍了航天动力学、行星学和非线性科学三个学科领域对该问题的讨论和研究进展,并列举了各领域中相关的热点问题;基于对上述研究现状的分析,尝试展望了该研究方向未来的发展趋势。     

载人小行星探测目标选择与轨道优化设计

针对2020-2040年载人小行星探测任务,研究了探测目标选择与轨道优化设计问题。首先,针对已编目的近地小行星,综合考虑绝对星等、燃料消耗等多方面因素与约束,给出了适合载人探测任务的候选小行星序列;然后,构建了载人小行星探测任务轨道的设计模型,采用参数优化算法对探测轨道进行了设计;进一步,为了获得最优探测轨道,利用主矢量原理对探测轨道进行了优化。该研究可为载人小行星探测任务设计提供有价值的参考。     

美国小行星探索之路能走多远?

根据2011年7月28日的报道,天文学家研究发现一颗小行星藏在地球绕日轨道上,它已陪伴着地球渡过了至少几千年的时光。,这种小行星被称作“特洛伊小行星”,尽管其与地球距离比地月远得多,但由于轨道相近,它是最适合航天员探索的地方之一。美国航空航天局（NASA）在未来15年内很有可能对其进行研究甚至开发。研究者还认为,如果能够发现更多的“特洛伊小行星”,航天员能在这些小行星上寻找地球匮乏的贵重矿物。这一发现也为科学家研究太阳系开启了全新的视野。 长期以来,人类对于近地小行星（NEA）及更少见的近地彗星知之甚少。了解这些天体有助于人类获得太阳系形成的科学信息,这些天体上还可能存在具有潜在价值的太空物质。因此,2010年美国总统奥巴马将小行星探测列为美国航空航天局（NASA）未来载人航天计划中的重要内容。     

一种不规则小行星附近周期轨道全局搜索策略

研究不规则小行星附近的自然周期轨道,有助于更好地认识小行星附近的动力学特性。周期轨道的搜索过程需要频繁地进行轨道递推,其中绝大多数的计算时间消耗在不规则小行星附近的引力加速度计算中。为提高加速度计算效率,提出一种不规则小行星引力加速度快速估计方法;在此基础上,通过参数空间内随机化粗略搜索获得周期轨道的初值猜想;利用遗传算法在初值猜想附近区间进行精细搜索,找到周期轨道的初值。通过对不规则小行星433 Eros附近周期轨道的搜索,对其附近不同形状的周期轨道进行了分类,分析周期轨道在小行星附近的分布规律。     

不规则小天体引力场内的广义甩摆轨道

选取具有典型不规则外形的细长形小天体作为研究对象,应用偶极子模型近似其外部引力场分布。针对其引力场内的质点动力学,研究一类特殊的动力学行为--广义甩摆轨道。与传统引力甩摆轨道不同,该类轨道能够在很短的时间内将质点从环绕轨道改变至逃逸轨道,或将逃逸轨道上的质点捕获至小天体引力场内。从轨道能量的变化入手,分析该类轨道的成因并给出仿真算例。     

双体小行星系统平衡态与稳定性研究

由于双体小行星独特的运动形式可为行星的演化提供重要线索,因而成为小行星探测中的热点目标。基于双椭球体模型研究了双小行星系统的相对运动、平衡态及稳定性。首先基于双椭球的全二体模型建立了双星系统相对运动的动力学方程;其次利用拉格朗日方程,通过求解系统角动量和能量,建立了双星系统平衡态对应的状态约束;最后给出了通过零速度状态曲面判断双星系统平衡态稳定性的一般性方法,在此基础上分析了小行星物理参数变化对系统平衡态稳定性的影响。研究可为未来双体小行星系统探测任务中的轨道设计与控制提供重要的理论参考。     

Modeling irregular small bodies gravity field via extreme learning machines and Bayesian optimization

Close proximity operations around small bodies are extremely challenging due to their uncertain dynamical environment. Autonomous guidance and navigation around small bodies require fast and accurate modeling of the gravitational field for potential on-board computation. In this paper, we investigate a model-based, data-driven approach to compute and predict the gravitational acceleration around irregular small bodies. More specifically, we employ Extreme Learning Machine (ELM) theories to design, train and validate Single-Layer Feedforward Networks (SLFN) capable of learning the relationship between the spacecraft position and the gravitational acceleration. ELM-base neural networks are trained without iterative tuning therefore dramatically reducing the training time. Analysis of performance in constant density models for asteroid 25143 Itokawa and comet 67/P Churyumov-Gerasimenko show that ELM-based SLFN are able learn the desired functional relationship both globally and in selected localized areas near the surface. The latter results in a robust neural algorithm for on-board, real-time calculation of the gravity field needed for guidance and control in close-proximity operations near the asteroid surface.     

Orbital stability close to asteroid 624 Hektor using the polyhedral model

We investigate the orbital stability close to the unique L4-point Jupiter binary Trojan asteroid 624 Hektor. The gravitational potential of 624 Hektor is calculated using the polyhedron model with observational data of 2038 faces and 1021 vertexes. Previous studies have presented three different density values for 624 Hektor. The equilibrium points in the gravitational potential of 624 Hektor with different density values have been studied in detail. There are five equilibrium points in the gravitational potential of 624 Hektor no matter the density value. The positions, Jacobian, eigenvalues, topological cases, stability, as well as the Hessian matrix of the equilibrium points are investigated. For the three different density values the number, topological cases, and the stability of the equilibrium points with different density values are the same. However, the positions of the equilibrium points vary with the density value of the asteroid 624 Hektor. The outer equilibrium points move away from the asteroid’s mass center when the density increases, and the inner equilibrium point moves close to the asteroid’s mass center when the density increases. There exist unstable periodic orbits near the surface of 624 Hektor. We calculated an orbit near the primary’s equatorial plane of this binary Trojan asteroid; the results indicate that the orbit remains stable after 28.8375?d.     

双星系统L1点悬停探测控制器设计与仿真

双小行星系统探测具有重要的科学意义,受其复杂动力学环境影响,探测任务极具挑战。利用球谐函数法对双星系统进行引力场建模,求解双星系统平动点,并选取其内部共线平动点L_1点作为双星系统悬停探测目标位置。采用航天探测实际任务中常用的脉冲推力式发动机,设计了一种原理简单、便于工程实现的常值切换bang-bang控制器。以69230Hermes双星系统为例,将Hermes近似为双椭球系统,仿真分析航天器在Hermes双星系统L_1点悬停飞行的控制效果,验证所提控制策略有效性。     

双小行星系统引力场建模方法研究

针对弱引力双小行星系统的引力场建模问题,本文采用复杂度和精度依次递增的球体–球体模型、椭球体–球体模型和改进的限制性椭球体–椭球体模型来进行引力场建模,并分别采用椭圆积分以及无积分环节、计算效率高的二阶二次球谐函数来表征引力势,从而比较精确地刻画双小行星系统和探测器构成的限制性全三体问题的动力学模型;针对双小行星系统1999KW4,对其不同的引力场模型进行了仿真研究,分别给出了不同模型下的等效势能函数曲面及零速度曲线,比较了不同模型下的平动点位置坐标偏差。结果表明,二阶二次球谐函数计算引力势的椭球体-椭球体模型计算精度高,复杂程度低,计算量更少,计算速度更快,能够较精确的对双小行星系统进行引力场建模。     

On tethered sample and mooring systems near irregular asteroids

A tethered asteroid sample and mooring system is investigated in this paper. In this system the spacecraft is moored to the surface of an irregular asteroid such as 216 Kleopatra by using a rocket-propelled anchor with a cable. The rocket-propelled anchor is a kind of space penetrator, which can inject into asteroids at high speeds generated by its own rocket engine. It can be used to explore the interior structure of asteroids, and it can also be used as a sample collector. When the sampling mission is done, the sample can be pulled back to the spacecraft with the anchor. Using this method, the spacecraft can be kept in a safe region in which it cannot be trapped by the gravitational field of the asteroid. This work is concerned with the dynamics of the tethered system near irregular asteroids. First, a shape model and gravitational field model of irregular asteroids are built. Then, the configuration and the stability of the tethered system are investigated, and the quasi-periodic motion near the equilibrium point of the tethered system is analyzed. Finally, the non-uniform density distribution of the asteroids is considered. The deployment process and the oscillation of the tethered system in the uncertain asteroid gravity field are simulated using the Monte Carlo method. The feasibility of the tethered asteroid sample and mooring system is proved.     

Finite-time asteroid hovering via multiple-overlapping-horizon multiple-model predictive control

This paper investigates the asteroid hovering problem using the Multiple-Overlapping-Horizon Multiple-Model Predictive Control method. The effectiveness of the predictive controllers in satisfying control constraints and minimizing the required control effort is making Model Predictive Control a desirable control method for asteroid exploration missions which consist of the asteroid hovering phase. However, the computational burden of Model Predictive Control is an obstacle to employing the asteroid’s complex gravitational field model. As an alternative option, the Multiple Horizon Multiple-Model Predictive Control method has been introduced previously, which could provide a solution with the less computational burden with respect to the nonlinear Model Predictive Control. It was shown that it is not necessary to deduce the exact dynamics model to predict the system’s behavior during a long period using this approach. However, the calculated control acceleration was not smooth enough because of the crisp borders of consecutive horizons, which may cause an image motion and degrades the geometric accuracy of high-resolution images in asteroid hovering missions. In this paper, the Multiple-Overlapping-Horizon Multiple-Model Predictive Control method is introduced instead to solve the problem of controlling acceleration fluctuations by overlapping consecutive horizons. Numerical simulation results are presented to validate the effectiveness of the proposed control method, and its advantage is demonstrated accordingly for the asteroid hovering problem in achieving the hovering position and velocity.     

深空探测太阳电池阵应用及关键技术分析

从1958年启动月球探测活动至今,经过几十年的发展,人类在深空探测领域取得重大成果。本文首先介绍地内行星、地外行星与登陆探测等领域探测器用太阳电池阵技术的应用情况,同时结合地内行星探测、地外行星探测与登陆探测任务所面临的不同空间环境特点对航天器太阳电池阵进行关键技术分析,梳理深空探测任务对太阳电池阵不同的技术需求及其所需解决的关键问题,从中得出未来深空探测太阳电池阵技术的趋势是将向更高效率太阳电池阵、环境自适应技术、高重量比功率、高体积比功率的方向发展。     

小天体着陆动力学参数不确定性影响分析

针对小天体不规则程度高、引力场复杂,且物理参数存在较高不确定性的问题,基于小天体着陆动力学方程线性化近似解析解,对各动力学参数不确定性的影响进行了分析。考虑动力学方程线性化带来的误差,引入线性化误差补偿校正方法,建立了探测器轨迹对动力学参数不确定性的敏感度方程。以小行星Eros 433为例,重点分析了目标小天体质量、自转角速度、引力势函数系数,以及探测器初始状态、推力加速度等动力学参数不确定性对探测器着陆轨迹的影响。数学仿真分析表明,针对本文选取的目标小天体,推力加速度扰动为主要影响因素,探测器初始状态的不确定性为次要影响因素,其他参数扰动的影响较小。