火星精确着陆轨迹优化与制导技术研究进展

轨迹优化与制导技术是实现火星表面精确着陆的核心技术之一.文章对典型的火星着陆探测任务进行了分析,阐明了火星着陆轨迹优化与制导技术所面临的挑战.在此基础上,回顾了近年来火星着陆轨迹优化与制导技术的研究现状.最后,对未来火星着陆探测轨迹优化与制导技术的发展方向进行了展望.     

一种燃料最省的火星精确着陆动力下降段快速轨迹优化方法

针对火星精确着陆问题,给出一种燃料最省的火星着陆动力下降段快速轨迹优化方法。首先以燃料最省为指标建立了着陆器动力下降段轨迹优化问题模型,然后利用极大值原理对该模型的推力大小、推力方向与协状态变量之间的关系进行分析,得出着陆器推力只能以最大或最小推力工作、推力方向和与速度对应的协状态矢量方向相同的结论。并以此为基础,将原问题的状态微分方程和协状态微分方程转换为有限个推力为常值的分段函数,推导每段内微分方程的解析表达式,给出了动力下降段轨迹优化方法的算法流程;最后通过数学仿真将所提出的方法与凸规划、多项式制导方法进行比较。结果表明该方法不仅避免了多项式方法没有考虑推力约束及燃料消耗的缺陷,而且在计算效率方面较凸规划方法有大幅度提高。     

一种新型火星定点着陆轨迹快速优化方法

针对火星定点着陆任务大气进入段的轨迹规划问题,给出了一种基于hp Radau伪谱法的快速优化算法。综合考虑大气进入段的动力学约束、边值约束、以及着陆器的机动能力约束和安全性约束,结合hp Radau伪谱法的配点特性,将轨迹优化问题转换成一个大规模多约束参数优化问题,给出了大气进入段轨迹优化问题的求解框架;为了提高算法的计算效率,给出了参数优化过程中雅克比矩阵的解析表达式;并通过数学仿真对本文算法进行了数值验证,结果表明：     

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。     

火星探测进入、下降、着陆过程通信方案

基于火星探测任务进入、下降、着陆过程(Entry,Descent and Landing,EDL)的特点,从信号微弱、高多普勒动态和黑障通信等3方面提出了该过程中通信的主要技术难点;简述了国外成功完成火星表面软着陆探测任务——海盗号、"火星探路者"、"火星探测巡视器"、凤凰号、"火星科学实验室"EDL过程采用的通信方案,并在其基础上进行了归纳总结;详细介绍了EDL过程所采用的直接对地通信、中继通信方案组成、通信能力和关键单机等;论述了中继通信、信号调制、信道编码以及黑障分析、防护与减轻等通信关键技术及其工程现状。最后给出了对我国火星探测EDL过程通信技术方案设计的一些建议。     

ExoMars 2016火星探测计划进入、减速、着陆的验证任务分析

对欧洲航天局(ESA)火星探测的ExoMars 2016计划进行了概述,着重分析了进入、减速、着陆验证任务的关键环节,详细分析了进入、减速、着陆验证的任务组成、任务目标、任务规划以及相关关键技术等。结合我国火星探测目前的技术状态,需要针对进入、减速、着陆各关键技术进行合理的规划,并适时开展相关的试验验证。首先完成整个火星探测进入、减速、着陆平台的验证与研制,再进一步开展深入的火星探测科学任务研究。文章所述内容和分析可为我国下一步开展火星等深空探测任务提供参考。     

火星进入、下降与着陆技术的新进展——以“火星科学实验室”为例

文章以"火星科学实验室"为例,对火星进入、下降和着陆(EDL)技术的新进展进行了分析和总结。首先,简要介绍了"火星科学实验室"任务需求和遇到的技术挑战;然后,详细说明了相应的对策以及具体技术方案,并针对当前所遇到的问题,列举了一些可能的解决方法;最后,对"火星科学实验室"发展的新技术、新方法进行了总结。     

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。     

火星降落伞的结构设计与初步性能试验研究

文章综述了目前美国、俄罗斯和欧空局研制的火星降落伞中盘缝带伞的发展情况.在参考已有盘缝带伞结构设计的基础上,通过改变结构设计参数,设计出4种不同结构形式的盘缝带伞,并完成了高塔投放和低速风洞等初步性能试验.根据试验结果,对伞型的带宽比及透气量与阻力系数及稳定性之间的关系进行了讨论;最终得出带宽比、透气量大的盘缝带伞稳定...     

“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。     

火星EDL过程动力学仿真平台

"进入、减速、着陆(Entry,Descent,Landing,EDL)"火星的过程是实现整个火星探测任务最为重要的阶段之一,着陆成功与否直接决定探测任务的成败.文章对火星探测器自身气动减速阶段、降落伞弹射拉直阶段、降落伞开伞充气阶段、降落伞全张满减速阶段等EDL关键过程分别建立探测器进入段六自由度动力学模型、降落伞理...     

萤火一号火星探测器测控通信关键技术

基于深空测控通信特点及其技术难点,对萤火一号(YH-1)火星探测器测控通信分系统设计进行了研究.给出了测控通信方案和分系统构成,介绍了火星-地球超远距离通信,小型化测控通信系统,高灵敏度接收机.高集成度发射机,小型化高稳定频率信标,集成化、小型化遥控指令译码器等关键技术设计及主要技术指标.YH-1火星探测器的测控和数传分系统采用一体化设计方案,在质量10 kg约束条件下,实现了上行遥控通道及下行遥测通道,具备科学数据传输通道及测定轨信号发送的功能,且每个通道均有冗余备份设备.     

火星探测着陆系统开伞控制方法研究

文章通过对火星探测进入轨道的分析,提出了一种以动压为控制目标的开伞控制方法,并借鉴过载-时间控制法的相关思想,结合火星探测进入轨道的特点,研究了该开伞控制法的原理和实现方法。根据火星探路者的实际进入条件,采用该方法的分析结果与实际飞行中的开伞情况基本吻合。     

面向火星探测的新一代微波着陆雷达技术

为适应我国火星探测任务,在探月着陆雷达研制的基础上研制出新一代的火星着陆雷达.介绍了国外火星着陆雷达的现状和实现指标,分析了国内火星探测任务中微波着陆雷达的关键点,尤其针对火星风沙尘暴、大角速度和复杂着陆地形的特征采取了综合试验验证方法,取得了关键数据.针对火星着陆雷达严苛的性能指标要求,创新性地采用线性调频连续波的着...     

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...     

考虑跟踪制导的小天体着陆轨迹闭环优化方法

针对小天体着陆环境存在参数不确定性及初始状态偏差的特点,提出一种小天体着陆闭环优化方法,实现在节省燃料消耗的同时降低对参数的敏感度。首先,建立小天体着陆动力学模型,分析了燃料最优着陆问题;然后,采用线性二次型调节器设计了反馈制导律,推导闭环敏感度矩阵方程,构造燃料消耗和敏感度加权的性能指标,进而能够通过优化降低小天体着陆过程的敏感度。仿真结果表明,该闭环优化方法能有效降低对参数不确定性和初始状态偏差的敏感度,最终达到提高小天体着陆位置和速度精度的目标。     

国外火星探测典型失败案例分析与应对策略研究

目前已经开展的国外火星探测任务大部分失败案例均集中在火星捕获、进入下降与着陆(EDL)两个关键环节。文章首先针对上述两个阶段介绍了火星探测任务典型失败案例的故障现象,并对其中的故障原因进行了分类,归纳为特殊环境适应性不足、关键系统安全性故障、动力学与轨道控制问题,然后针对性地分析并提出了特殊环境应对设计、关键系统安全性设计、轨道动力学分析与变轨策略等应对策略。可为后续火星探测任务提供参考。     

我国火星着陆探测任务多项技术取得突破

据中国航天网2011年7月22日报道,中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院总体部承担的我国火星着陆探测任务3项重大课题顺利通过国家国防科工局“深空探测与空间实验技术”重大项目课题验收。这标志着我国火星探测总体技术及集成演示验证系统等多项关键技术取得突破。     

模型参数扰动下的火星大气进入鲁棒状态估计方法

针对火星大气进入段模型参数扰动及动力学系统的强非线性影响导航系统状态精确估计问题,提出了一种模型参数扰动下的鲁棒插值滤波（DDF）方法。该方法在传统插值滤波方法代价函数的基础上,通过把扰动参数对状态估计精度影响的度量矩阵乘积的迹增广到代价函数,推导了具有解析滤波增益形式的鲁棒插值滤波方法。同时,通过实时计算进入过程中导航系统的非线性,基于系统非线性度给出了鲁棒插值滤波方法阶次自适应选取准则。只在系统强非线性阶段采用高阶鲁棒插值滤波方法,既保证状态估计精度,同时满足导航系统实时性需求。仿真结果表明,提出的鲁棒插值滤波方法比传统的一阶插值滤波方法估计精度更高,能达到二阶鲁棒插值滤波方法的估计精度,比整个进入过程采用二阶鲁棒插值滤波方法具有更高的解算效率。