小天体主动附着制导与控制技术研究进展

结合目前已实施的小天体附着探测任务,对小天体探测器主动附着涉及的制导与控制技术进行了系统性的回顾。首先,针对小天体附着任务风险高、不确定性强的特点,明确了主动附着的内涵,并分析了现有附着探测技术在自主性和安全性上面临的挑战,阐述了提高探测器主动附着能力的重要性。在此基础上,归纳梳理了与主动附着相关的制导与控制技术最新研究进展。最后,结合未来小天体探测任务需求,总结了今后具有进一步研究价值的几个问题。     

小天体探测器着陆附着技术研究

探测器着陆附着技术是小天体探测任务中的关键性技术,关系到任务的成败。文章介绍了美国、欧洲、日本已先期开展的部分小行星、彗星等小天体探测任务,对国内外小天体探测着陆附着技术的研究现状进行了说明。分析了北京空间机电研究所提出的一种用于小行星表面勘测的新概念着陆附着系统,并进行了可控重复附着功能设计和试验,结果表明,新系统能够实现在厘米级粗糙尺度的小行星硬质表面可靠附着。由于新系统的附着模块采用了仿生甲虫爪刺抓附原理设计,其着陆缓冲模块展开折叠比高、着陆稳定性强,研究成果可以为中国小行星探测任务提供技术支撑。     

小天体软着陆自主光学导航与制导方法研究

针对小天体软着陆任务自主性、实时性的需求,对软着陆小天体自主导航与制导问题 进行了研究。提出了一种利用激光测距仪和光学导航相机跟踪目标着陆点的自主导航方案, 利用测距矢量以及目标点之间的几何关系,确定着陆平面法向方向和目标点位置。分析期望 的探测器下降轨迹特点,给出了一种基于制导变量的脉冲控制制导律,通过对目标点视线与 着陆平面法向矢量之间夹角的控制,将软着陆小天体控制分解为切向控制与法向控制两部分 。最后,通过数学仿真对自主导航制导系统的性能进行了验证,结果表明该方法能够满足垂 直软着陆的任务需要,实现高精度软着陆。     

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。     

基于图像序列的软着陆小天体自主导航方法

提出了一种深空探测器着陆阶段的自主导航方法。该方法通过跟踪导航序列图像中特征点在像平面上的位置,结合激光测距仪给出的探测器到小天体表面的距离信息,在特征点实际位置不确定的情况下,利用扩展卡尔曼滤波对探测器的相对位置姿态及运动信息进行递归估计。同时重构特征点的三维位置。由于不需要所选特征点在小天体表面的精确位置,因此提高了导航方法的适用性。最后通过数学仿真验证了自主导航方法的有效性。

     

序列凸优化的小天体附着轨迹优化

针对小天体附着多约束轨迹优化问题,提出一种基于序列凸优化的轨迹优化方法。首先采用内球谐引力场模型对目标小天体附近的不规则引力场进行精确建模,内球谐引力场模型是对经典球谐系数法的改进,形式简单,计算量小,并且克服了经典球谐系数模型在形状不规则的小天体附近不收敛的问题。对于小天体附着多约束轨迹优化问题,通过约束松弛、线性化、离散化过程,转化为一个可以迭代求解的二阶锥规划问题（SOCP）,进而采用内点法进行解算。数学仿真结果显示,优化结果符合各项约束条件,以零速度到达了目标着陆点,且符合燃耗最优的优化目标。利用序列凸优化算法进行小天体附着燃耗最优轨迹设计,推导简便,计算速度快,精度高,具有应用价值。     

火星动力下降自主导航与制导技术研究进展

基于火星定点软着陆探测任务的需求,阐述了火星着陆动力下降导航与制导技术的必要性。首先分析了火星着陆动力下降段导航与制导问题,并总结了动力下降段导航与制导面临的挑战与难点,然后综述了动力下降段导航与制导技术的研究现状。最后针对未来复杂地形区精确着陆,提出了实现火星动力下降段高精度自主导航与制导需要解决的关键问题。     

小天体附着装置地形被动自适应机构设计与优化

面向在小天体非确知、非结构性表面安全稳定附着的技术需求,设计了一种可同时在偏移和扭转共6个自由度上实现对抓附区域星表地形被动自适应的串并混联机构,并完成了其工作空间优化。首先,针对附着过程中附着装置与星表拟合球面不居中问题,提出了一种3-RSPS串并混联被动自适应机构设计方案;进而,采用修正的G-K公式计算了该机构的自由度,基于空间位置矢量法推导出其逆运动学模型,并通过虚拟样机仿真验证了逆运动学模型的正确性;最后,采用数值搜索方法完成了该机构的定姿态工作空间分析和基于NSGA-II算法的多目标优化。结果表明：相较于目前广泛应用的3-SPS并联机构,本文所设计的星表地形自适应机构的全局工作空间提高了40.9%,优化后,又进一步提高了21.3%,可适应更加崎岖陡峭的小天体星表地形,具有较好的工程价值。     

基于矢量测量和UKBF的飞越小天体自主导航方法研究

以估计航天器和小天体在日心惯性系中的位置和速度为目的,提出了基于视线矢量测量的飞越小天体自主导航方法。该方法利用导航相机和激光高度计构建航天器到目标天体的视线矢量,同时为避免系统方程线性化和离散化所带来的模型误差,采用UKBF (Unscented Kalman\|Bucy Filter)算法对相应位置和速度进行估计。分析了导航系统的能观性,并以坦普尔一号为目标天体进行仿真验证,理论分析和仿真结果皆表明了方法的有效性和可行性。
     

小天体着陆器协方差矩阵分割滤波方法

提出一种小天体着陆器协方差矩阵分割滤波方法,利用惯性测量单元和多个相机估计着陆器运动状态,通过分割协方差矩阵的方式将协方差矩阵隔离更新和传播,并在每次测量更新时使用残差卡方修正方法修正协方差矩阵。通过小天体着陆器着陆仿真测试,与传统扩展卡尔曼滤波算法相比,本文方法在测量噪声估计不准确时具有更好的精度和稳定性。     

小天体柔性附着状态协同估计方法

针对小天体附着过程易发生倾覆、反弹导致任务失败问题,提出“柔性附着”概念,替代传统小天体探测的刚性附着模式,为提高小天体附着任务可靠性提供新的解决思路和技术途径。在此基础上,针对柔性着陆器的状态估计问题展开研究。首先建立了柔性着陆器近似模型,提出了柔性着陆器“等效面”概念及柔性着陆器姿态的近似表征方式,进而提出了柔性附着状态协同估计方法,并通过数值仿真检验了柔性着陆器状态协同估计的可行性。     

地外天体着陆巡视探测自主智能技术进展

以月球、火星和小行星等地外天体着陆巡视探测任务为背景,对自主智能技术的发展现状、应用情况与未来趋势进行了分析研究。回顾了目前国内外地外天体着陆巡视探测任务的实施情况;从导航定位与环境感知、轨迹优化与制导控制、自主探测与路径规划、故障诊断与自主处理等四个方面,阐述了该领域自主智能技术的研究现状,并对未来发展态势进行了展望。     

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。     

一种图像辅助火星着陆段自主导航方法

针对未来深空探测软着陆高精度实时导航的需求,提出了一种图像辅助的自主导航方案。首先通过下降段图像与落点区域地形匹配,获得着陆器相对于落点的位置和姿态;然后基于误差Kalman模型估计着陆器的状态误差,修正惯性导航的结果;在图像信息不可用的情况下,只进行惯性递推导航;这种方案既提高了导航的精度,也能保证实时性的要求。 数值仿真验证了该方案的可行性,该方案对未来实际工程任务具有很大的参考价值。     

软着陆小行星的自主导航与制导

讨论了软着陆小行星的自主导航与制导问题，首先给出了一种使用星上光学相机和激光雷达的自主导航方法，测量探测器相对着陆点的距离与速度；接着提出了一种自主软着陆的制导方案，为了保证垂直软着陆，事先规划了满足约束的理想下降高度与速度轨迹，并设计滑模变结构控制器跟踪理想轨迹，实现在小行星表面垂直软着陆。最后通过数学仿真验证了提出的自主光学导航与制导方法的可行性。