升力式火星探测器进入轨迹优化设计仿真

针对升力式火星探测器在其完成星际转移轨道之后,由预定进入点开始反冲制动改变运行轨道进入火星大气,设计并仿真了进入段的轨迹优化。根据火星的大气密度及引力场参数,建立相应的火星大气模型及引力场模型,确定了升力式火星探测器的运动方程。在满足进入过程的约束条件下,采用遗传算法对进入轨道进行优化设计,提出不同的推力发动机制动方案并进行分析比较。结果表明,采用推力方案二能够实现性能指标最优,并求得着陆速度为136m/s,最终实现了探测器在火星表面的软着陆。     

基于阻力跟踪的火星大气进入段非线性预测制导律设计

针对火星探测任务大气进入段的高精度着陆问题,提出一种基于阻力跟踪的非线性预测制导策略。基于火星探测器大气进入段的三维运动模型,综合考虑探测器气动参数摄动、火星大气密度摄动、外部扰动以及进入时刻状态初值不确定性,设计了基于优化思想的非线性预测制导律,并对所提出的制导方法进行仿真验证。仿真结果表明:非线性预测制导律在满足控制约束的条件下可以获得较高的着陆精度。     

K6R4016V1D芯片在低地球轨道发生单粒子效应频次的分析

俄罗斯福布斯-土壤火星探测器于2011年11月9日携带中国首个火星探测器萤火一号进入低地球轨道(LEO),但原定于159min后探测器在轨发动机点火变轨未能实施,最终探测计划失败.俄罗斯航天局研究分析认为,事故最可能是由于宇宙线重离子轰击星载计算机存储器件,导致两台计算机重启所致.但是抗辐射专家对空间辐射粒子会在如此短时间内通过单粒子效应(SEE)导致LEO探测器失效的观点并不认同.本文根据俄罗斯航天局发布的受影响器件信息,通过实验和计算,分析了K6R4016V1D芯片在低地球轨道运行时可能遇到的空间辐射粒子诱发单粒子效应的频次,探讨了单粒子效应导致福布斯-土壤火星探测器失效的可能性.      

气动磁镜聚变推进器的火星探测任务分析

将气动磁镜聚变概念拓展到空间推进器应用,分析了不同等离子体密度和氢推进剂质量流率下聚变推进器的比冲和推力变化范围,理论计算表明其比冲可达10 000 s以上,推力最高可达几十牛。在此基础上,进一步采用气动磁镜聚变推进器对地火转移任务进行了数值仿真。假设推进器初始质量为100 t,仿真结果表明:当飞行时间在282.42~639.76 d变化时,剩余质量从88.59 t提升至98.24 t。相关分析表明基于气动磁镜的聚变空间推进器通过调节比冲和推力组合方式,可以很好地满足未来火星载人和货运任务对飞行时间和有效载荷份额的不同需求,是未来高性能空间推进器发展的一种候选方案。      

Planetary protection implementation on Mars Reconnaissance Orbiter mission

In August 2005 NASA launched a large orbiting science observatory, the Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), for what is scheduled to be a 5.4-year mission. High resolution imaging of the surface is a principal goal of the mission. One consequence of this goal however is the need for a low science orbit. Unfortunately this orbit fails the required 20-year orbit life set in NASA Planetary Protection (PP) requirements [NASA. Planetary protection provisions for robotic extraterrestrial missions, NASA procedural requirements NPR 8020.12C, NASA HQ, Washington, DC, April 2005.]. So rather than sacrifice the science goals of the mission by raising the science orbit, the MRO Project chose to be the first orbiter to pursue the bio-burden reduction approach.     

考虑控制约束和不确定性的火星最优进入制导

摘要： 针对火星进入段控制受约束、大气环境以及探测器自身参数不确定性等问题,提出控制受约束的火星最优鲁棒进入制导方法.将针对参数不确定系统的最优性能指标转换为针对标称系统的修正性能指标;同时考虑控制约束,在性能指标中引入饱和函数,将制导问题转化为求解修正Hamilton Jacobi Bellman (HJB)方程问题;由于HJB方程是偏微分方程,求解有难度,利用神经网络的逼近能力近似求解.本文制导方法保证了不确定系统有最优的性能指标上界和较强的鲁棒性.最后将其应用到火星进入制导中,仿真结果表明系统存在不确定的情况下,仍可以很好地满足火星进入段终端条件,控制量也在约束的范围内,从而验证所提方法的有效性.     

基于动态罚函数的火星探测器多学科协同优化

针对火星探测器飞行距离遥远和飞行环境复杂带来总体设计参数难以优化的问题,建立以遥感性能和总重为综合优化目标的优化模型,考虑探测器的轨道、载荷、电源等分学科,基于协同优化方法建立火星探测器的系统级和学科级优化函数,采用自适应动态罚函数加快优化的收敛速度,最终获得协同一致的优化结果。仿真结果表明:协同优化方法应用于火星探测器总体参数优化的可行性和有效性,可为探测器的总体设计提供技术参考。     

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.     

火星磁场产生的原因及其分布

构建了一个可以得到火星赤道面上磁场分布的模型. 模型根据卫星观测数据, 提出了火星电离层、磁层顶和磁尾电流片上都各自通有电流的假设. 由电流的连续性条件可知, 这三种背景条件下的电流之间满足一定关系, 即火星磁层顶上的总电流是电离层上的总电流与磁尾电流片上的总电流之和. 这些电流产生的磁场与太阳风磁场共同构成了火星赤道面上磁场分布. 通过计算发现, 采用这种磁场模型得到的结果与目前卫星所观测的结果以及与采用其他方法得到的结果符合得较好.      

扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划方法

针对扰动环境下火星精确着陆动力下降段自主轨迹规划问题,在终端时间自由条件下,研究了基于序列凸优化方法的自主轨迹规划方法。首先,在终端自由情况下,建立初始状态无扰动轨迹预规划问题。其次,结合鲁棒Tube-MPC思想,针对线性反馈控制律,建立扰动环境下着陆轨迹重规划问题,分析重规划问题的可行性,给出了预规划问题可行的必要性条件,为控制参数的选取提供参考,提出扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划框架。然后,针对终端自由问题,将飞行时域映射到单位时间,建立序列凸优化子问题,对子问题进行线性近似,使用序列凸优化方法进行求解并分析了收敛解的最优性。最后,进行数值仿真,验证扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划方法的有效性。