Predictive guidance algorithms for maximal downrange maneuvrability with application to low-lift re-entry

The paper concerns the general problem of a bounded final state control of non-linear dynamic systems with reference to near-optimal predictive guidance for low lift-to-drag ratio re-entry vehicles. More specifically, it addresses deriving guidance strategies capable to provide a maximal downrange maneuvrability for a maximal remaining flight time. Such robust, “guaranteed”, or assured, guidance keeps the remaining range-to-go to be coincident with the center of instant attainability domain. The paper discusses the existing guaranteed guidance strategy, and presents more general approach that provides an on-board planning of the entry trajectory, thus giving future state and control profiles. As a consequence the proposed guidance law is able to satisfy not only specified terminal conditions but also typical inequality constraints such as the maximal load factor and heat load. Computer simulations show that the algorithm can generate the feasible trajectories with equal downrange margins, using simple two-parametric families of control functions.     

火星大气进入轨迹伪谱凸优化设计方法

为解决火星大气进入末端高度最大化问题,提出Legendre伪谱凸优化(LPCP)方法进行求解.首先以纵向航程角为自变量建立火星进入模型,从而将末端时间自由问题转化为末端纵向航程角固定问题,避免优化末端时间;同时相比基于能量的模型,不必已知末端高度和速度,因此可以求解末端高度最大化问题.然后将状态微分方程在Legendr...     

火星大气进入段轨迹优化与制导技术研究进展

首先根据国际上实施的火星探测任务及未来火星着陆探测的发展需求,阐述火星大气进入段轨迹优化与制导的重要性。结合火星着陆环境和探测器的气动特性等,归纳出火星大气进入段轨迹优化与制导面临的挑战。在此基础上,结合未来火星着陆任务的安全精确着陆目标,梳理火星大气进入段轨迹优化与制导所需解决的关键技术,分析目前火星进入段轨迹优化与制导技术研究进展及发展趋势。最后,对未来火星精确着陆所需的进入段轨迹优化与制导技术发展方向进行了展望。     

可重复使用运载器的再入制导(英文)

提出了一种针对可重复使用运载器的再入制导算法。算法可分为轨迹规划算法和轨迹跟踪算法。较之经典的规划阻力的航天飞机制导方法,此算法最显著的特点在于轨迹规划与轨迹跟踪都直接在高度-速度空间里进行。在规划算法中,所有的轨道不等约束都可用高度-速度空间里的上下边界来表示,之后基于此边界采用线性化插值的方法来产生标称轨迹族,最后根据末端约束(末端能量管理)和航程约束来选择所需的标称轨迹。跟踪算法则采用反馈线性化来跟踪此标称轨迹进而满足所有的约束条件。此算法另一有别于传统方法的特点在于算法可使用一个航迹角控制器来增加航程,以满足大航程需要。适当地结合规划-跟踪算法和航迹角控制器可给再入制导带来极大的灵活性和适应性。另外,算法对各种建模误差与噪声的鲁棒性经验证也是符合要求的。     

火星大气进入段纵向可达区生成的解析同伦法

针对火星大气进入段飞行器的飞行能力分析问题,提出一种基于解析同伦法的纵向可达区(开伞点高度-航程剖面)计算方法。该方法首先分别为最大航程问题/最小航程问题和最大/小开伞高度问题构造最优解已知的初始辅助优化问题,并以此为出发点最终求取原最优问题的解。在求解4个子优化问题的基础上,通过构造合适的同伦参数延拓出纵向可达区。〖JP2〗仿真结果表明,该方法有效避免了最优问题协态初值猜测困难的问题,通过设计合适的同伦参数,可以快速求取任意初始路径角下的开伞点最大/最小航程、最大开伞高度以及纵向可达区。     

航天器大气进入过程制导方法综述

研究承担进入任务的升阻比小于0.5的小升阻比航天器,基于对该类航天器大气进入制导方法的调研,分别以地球大气再入和火星大气进入过程为例,分析了进入制导需满足的各种约束和待解决的技术难题,并对大气进入制导控制方法的研究现状进行了阐述,对不同方法的优缺点进行了对比研究分析和归纳总结,对未来研究发展方向进行了展望。     

火星探测器降落伞拉直过程中的“绳帆”现象研究

针对火星探测器降落伞在拉直过程中出现的“绳帆”现象,以及火星探测器降落伞开伞前初始参数和大气密度与地球环境下的差异,建立了火星探测器降落伞拉直过程的数学模型,研究了火星环境下,伞包弹射速度、开伞前进入器的攻角、开伞马赫数以及大气密度对“绳帆”现象的影响。研究结果表明,选择较大的伞包弹射速度,并将开伞前进入器的攻角严格限定在较小范围内,将有利于避免或降低“绳帆”现象的发生。这一研究结果可为我国实施火星探测时减速着陆系统的设计分析提供一定参考。     

Mars orbiter insertion by use of atmospheric deceleration

The multistep adaptive control algorithms with trajectory prediction for Mars orbiter insertion by use of atmospheric deceleration are described. The navigation task is proposed to be solved simultaneously with defining the control law throughout the entry. The stabilization algorithm ensures a low fuel consumption and acceptability of transient process, even under a considerable disturbing aerodynamic torque. Digital computer simulation has been used for the algorithm development and evaluation. The simulation results have shown high effectiveness of the proposed control methods.     

RLV再入混合制导方法研究

提出可重复使用跨大气层飞行器（RLV）再入混合制导方法，该方法将再入轨道在线生成技术、基于阻力加速度飞行剖面的跟踪制导技术和数值预测制导技术有机结合。其中再入轨道在线生成能够向轨道预测制导算法提供初值，以加快轨道预测制导算法收敛速度；轨道跟踪控制器控制再入吸热，使再入轨道满足再入走廊约束；而数值预测制导算法则对再入轨道进行快速预报，生成合适的制导指令，将RLV导向目标。给出了RLV再入混合制导的具体算法，并对Marshall航天中心先进制导与控制项目所提出的九种再入情况进行了初步仿真，结果表明所提出的RLV再入混合制导方案是可行的。     

火星精确着陆制导问题分析与展望

美国火星科学实验室(MSL)任务成功将“好奇”号火星车着陆到火星表面,开创了火星精确着陆探测的新局面。以MSL着陆任务为典型代表,分析了目前火星着陆探测进入、下降和着陆（Entry, Descent and Landing, EDL）过程的制导方案及制导系统的发展趋势。以在火星高海拔、复杂地形区域定点着陆为潜在工程目标,归纳了火星EDL过程面临的制导主要问题。根据未来制导系统自主性和自适应性的技术需求及潜在工程任务制导面临的问题,提出了火星EDL制导方面需要解决的关键技术,并对其在未来工程中的应用潜力进行了展望。     

天问一号着陆器EDL过程建模与仿真

针对天问一号着陆器的进入、下降与着陆(EDL)过程,考虑伞降动态特性,建立包含大底与背罩分离过程的EDL全过程高保真仿真模型.对着陆器跨越高超声速到亚声速的飞行过程,特别是伞降过程中降落伞、着陆器、大底、背罩的相互作用进行建模,建立了着陆器六自由度刚体动力学模型、降落伞-着陆器(背罩)组合体模型、大底(背罩)-着陆器组...     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题,建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型,并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法,对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟,获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据,分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大,催化反应进程主要受O原子浓度限制;有限催化热流随催化效率增大而增大,完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%;表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度,为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

CCSDS在遥感图像压缩中的应用研究

针对空间光学遥感数据特点,设计适合于星载光学遥感器数据压缩的算法目前仍然是一个研究热点。CCSDS压缩是适合于空间光学遥感数据压缩的最新标准。该标准由空间数据系统咨询委员会于2005年推出,从空间数据特点出发,可以有效解决数据压缩的问题。另外,利用该压缩标准可以更好的跟CCSDS的其他标准兼容。文章针对该压缩标准进行研究,对算法的实现过程进行了分析,并将该算法的实验结果跟其它的压缩算法做了比较,结果表明,该算法压缩效果与JPEG2000相当,但算法复杂度较低,易于硬件实现,符合星载压缩的实时处理要求。     

火星EDL导航、制导与控制方案综述与启示

进入、下降与着陆（EDL）导航、制导与控制(GNC)对于成功着陆火星起着决定性作用。首先详细地介绍了火星EDL的技术需求与GNC面临的挑战;然后系统地总结了国外历次成功火星任务的EDL导航、制导与控制方案;接着有针对性地梳理了我国现有航天工程任务中可加以利用的技术基础;最后,在对比分析已有技术的基础上,对我国未来的火星探测工程EDL导航、制导与控制技术研发给出了初步的建议。     

“火星科学实验室”EDL方案及其新技术分析

"火星科学实验室"进入、下降与着陆(EDL)技术代表了目前已步入应用阶段的火星探测的最新技术。在分析该方案基础上,对其所应用的升力式进入及进入制导控制技术、基于马赫数的开伞控制技术、"矢量点乘"控制的防热罩分离技术、基于"空中吊车"的动力下降与着陆缓冲技术和"空中吊车"飞离控制技术等进行了分析,可为火星探测研究提供一定的借鉴和参考。     

Autonomous guidance and control of Earth-orbiting formation flying spacecraft: Closing the loop

Previous work on autonomous formation flying guidance and control identified three key challenges to overcome in order to obtain a fully autonomous guidance and control loop: an accurate but simple model of relative motion about elliptical and perturbed orbits, an efficient way of performing conflicting requirements trade-off with power-limited on-board computers, and finally an optimal or near-optimal control algorithm easy to implement on a flight computer. This paper first summarizes recent developments on each of these subject that help to overcome these challenges, developments which are then used as building blocks for an autonomous formation flying guidance and control system. This system autonomously performs trade-offs between conflicting requirements, i.e. minimization of fuel cost, formation accuracy and equal repartition of the fuel expenditure within the formation. Simulation results show that a complete guidance and control loop can be established using mainly analytical results and with very few numerical optimization which facilitates on-board implementation.     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

Autonomous guidance and control of Earth-orbiting formation flying spacecraft: Closing the loop

Previous work on autonomous formation flying guidance and control identified three key challenges to overcome in order to obtain a fully autonomous guidance and control loop: an accurate but simple model of relative motion about elliptical and perturbed orbits, an efficient way of performing conflicting requirements trade-off with power-limited on-board computers, and finally an optimal or near-optimal control algorithm easy to implement on a flight computer. This paper first summarizes recent developments on each of these subject that help to overcome these challenges, developments which are then used as building blocks for an autonomous formation flying guidance and control system. This system autonomously performs trade-offs between conflicting requirements, i.e. minimization of fuel cost, formation accuracy and equal repartition of the fuel expenditure within the formation. Simulation results show that a complete guidance and control loop can be established using mainly analytical results and with very few numerical optimization which facilitates on-board implementation.     

进入火星大气的高温真实气体效应与气动加热研究

针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性,采用理论分析和数值模拟两种手段,研究探测器进入过程高超声速流动的分子振动激发、离解反应及热力学和化学非平衡等真实气体效应,获得不同气体模型条件下的高超声速气动加热规律,探究引起地火差异的根本原因。分析认为,探测器进入火星大气层的稀薄气体效应明显;激波层内发生CO 2气体为主的大规模离解,在极高温环境下O 2和CO也将离解;沿进入轨道的高超声速流动基本处于化学非平衡但热力学平衡状态;激波层内能量储存和分配模式因分子振动激发和化学反应而改变,分子振动激发会增强气动加热量,但均介于化学反应模型的完全非催化和完全催化壁结果之间;相同来流条件下CO 2介质高超声速气动加热强于空气介质,但真实的火星进入热载荷因大气稀薄而弱于地球再入环境。相关研究为我国未来火星探测器热防护系统设计提供技术支持。     

火星着陆关键环节多学科交叉设计与验证

针对火星着陆任务在飞行环境、地面验证、系统间关联性等方面面临的技术挑战,根据火星着陆关键环节涉及的气动减速、降落伞减速、动力下降和着陆缓冲四个主要阶段,分别分析了大气进入方式、进入初始条件、气动外形、防热、开伞控制、大底弹射、背罩规避机动与触火关机等关键要素,并介绍了天问一号与其他典型火星着陆任务开展的多学科交叉设计过...