深空探测器自主控制技术综述

深空探测是人类考察、勘探和定居地球外其它天体的第1步,而深空探测器的自主控制技术则是确保深空探测任务成功完成的重要关键技术之一。从"自主导航、自主制导与控制、自主任务规划、自主故障诊断与重构"4个方面对深空探测器自主控制技术的研究现状进行综述,分析了已有的深空探测器自主控制技术存在的问题,并根据深空探测技术发展和任务实施的需求,提出了深空探测器自主控制技术未来研究的发展趋势。     

基于扩展状态深空探测器任务规划方法

面对深空探测过程中的不确定性,探测器需要利用任务规划技术实现自主控制。针对深空探测器任务规划中复杂系统功能及耦合操作约束,在状态知识框架的基础上,引入了扩展状态的概念。通过分析探测器任务规划中的约束关系,提出了基于扩展状态的任务规划算法。利用扩展状态结构特点削减了搜索空间,优化了搜索过程,提高了规划搜索的速度。数值仿真结果表明,该算法能够缩减近半的规划步数,加速问题求解进程,提高任务规划的效率。     

深空探测器动态约束规划中的外延约束过滤方法研究

随着深空探测任务的增加以及星上科学任务的日益复杂,深空探测器自主任务规划与调度技术成为研究的热点。在深空探测器任务特点与系统约束分析的基础上,将智能规划理论与约束可满足技术相结合,研究多层约束规划模型中约束的动态特征,设计了基于动态约束表的外延约束快速过滤算法,根据领域信息中活动间的冲突性特征来对新加入的活动进行分类和一致性检查。仿真结果表明:提出的算法能够有效地降低约束处理中无效的约束检查次数,降低问题处理过程中的算法回溯,提高规划效率和成功率。     

考虑动态不确定因素的深空探测器任务规划

针对现有的任务规划方法在响应深空动态不确定因素的扰动情况时存在的不确定因素识别度低、响应策略单一等问题,文章提出了一种考虑动态不确定因素的深空探测器任务规划算法。首先,对不确定扰动按从轻到重四个等级进行划分,并采用模糊神经网络评估不确定扰动属于哪种扰动级别,根据评估结果选择对应的扰动响应策略;然后,采用基于分层任务网络规划（HierarchicalTaskNetwork,HTN）的局部任务修复方法,对受到扰动的子系统对应的复合任务重新进行任务分解,完成对初始规划方案的调整修复。仿真结果表明所提出的算法可以有效地对深空动态不确定因素进行评估和响应,从而提高了任务规划的可靠性和灵活性。     

基于状态转移图的启发式深空探测器任务规划方法

针对深空探测器复杂系统并行及约束耦合等特点,在时间线描述框架的基础上,引入了状态转移图结构。通过分析探测器任务规划中的耦合约束关系,设计了转移图代价计算方法,并提出了基于状态转移图的启发式任务规划算法。利用转移图设计启发式对无关节点进行剪枝,削减了搜索空间,加速了搜索过程。数值仿真结果表明,该算法能够有效减少不必要的规划步数,提高任务规划的效率。     

一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法

深空探测任务中自主导航测量误差是影响深空探测自主导航系统精度的主要影响因素。针对抑制自主导航测量误差的问题,提出一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法,该方法在对系统非线性不等式几何平面约束建模的基础上,利用序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)非线性规划方法,对深空探测器自主天文导航系统的非线性不等式约束进行非线性规划,直接辅助减小深空探测器自主导航系统的量测误差;利用CKF-SQP量测优化非线性约束滤波方法,对深空探测器自主导航系统的状态进行估计,进一步减小系统随机误差。仿真结果表明:所提方法可以有效抑制测量误差,实现深空探测器高精度自主导航。该方法可为深空探测器提供一种可行的高精度自主导航方法。     

深空探测器自主天文导航技术综述

在深空探测中,单独使用无线电测控存在精度、实时性、覆盖性等方面的限制。作为无线电测控的有效补充,自主天文导航是保证深空探测任务成功的关键技术之一。面向深空探测对自主天文导航的迫切需求,概述了深空探测器自主天文导航的基本原理,简要介绍了深空探测器自主天文导航的研究进展,并重点分析探讨了深空探测器自主天文导航的关键技术和发展趋势。分析结果可为我国未来深空探测器天文导航系统研制提供参考,并为深空探测任务的总体设计提供帮助。     

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

火星探测器自主导航方法综述

火星是人类深空探测的重要目标之一,火星探测器的自主导航是探测任务的重要支撑技术。针对火星探测器自主导航方法的国内外研究现状进行综述与总结,讨论和分析了火星探测器自主导航可行的导航信标和测量手段,对自主导航算法需要研究的关键技术进行了梳理和探讨,提出了火星探测器在巡航段、捕获段和环绕段等不同阶段场景下的测量手段、自主导航方法的建议和设想。     

基于多目标优化的深空探测器姿态组合规划方法

深空探测器在执行姿态机动任务中,通常需要优化多个性能指标参数.此外,姿态指向约束和有界约束的存在显著减小了姿态机动路径的可行空间.在复杂的多约束条件下,多目标姿态机动优化对深空探测器系统是一个极大的挑战.提出多目标组合的概念,通过物理规划方法将多目标优化转换为单目标规划问题.考虑到欧拉路径的低能量特性,提出一种多目标组...     

深空探测器可重构性评价与自主重构策略

针对深空探测过程中资源严重受限(包括计算资源、硬件资源以及能量资源)和不可维修的特点,开展了深空探测器可重构性综合评价方法和自主重构的研究。通过在地面设计阶段考虑深空探测器控制系统的可重构性,定量地给出了系统可重构性综合评价指标,并基于该指标指导系统自主重构策略的设计,从设计角度提高了深空探测器控制系统运行质量,实现了深空探测器的自主故障处理和自主运行。     

一种基于时标状态的启发式航天器任务规划算法

深空探测领域对实时性要求较高,在较短时间内找到规划解是深空探测自主任务规划中的一个要求,运用启发式规划算法是达到该要求的方法之一。而深空探测自主任务规划的另外一个特点是需要处理持续动作和数值信息。针对深空探测任务特点,采用规划领域定义语言PDDL,建立深空探测领域中知识模型,描述操作中遇到的时间与资源约束;随后应用以条件数为代价的启发式搜索方法对深空探测规划问题进行求解,并将其与TFD规划器中以动作时间为代价的上下文增强累加启发式搜索方法得到的结果进行对比,得出以条件数为代价的启发式搜索方法在搜索速度方面效果更佳,满足深空探测自主规划任务实时性要求。     

基于对数势函数的深空探测器姿态规划与控制方法

针对深空探测器姿态约束机动问题,提出一种基于对数势函数的多约束姿态机动规划方法。首先,定义了两种姿态指向约束,即禁止约束和强制约束,并利用禁止约束和强制约束的性质构建了对数势函数作为Lyapunov函数;在此基础上采用改进退步法设计了探测器姿态机动控制器。数值仿真结果表明:该方法不仅在多约束情况下能够自主求出安全的机动路径,而且在分析和求解上计算效率较快,对于星上资源有限的深空探测器具有实际运用价值。     

深空探测人工智能技术应用及发展建议

深空探测任务的探测目标距离地球越来越远,测控延时逐步增大,并且目标的先验知识有限,在遥远、未知、不确定环境下开展科学探索对探测器的自主性能需求日益强烈。随着人工智能技术的快速发展并逐步实用,在深空探测领域中应用人工智能技术提高和改进航天器自主性也将成为必须和可能。简要介绍了人工智能技术的发展历程,分析了航天领域中人工智能技术的应用实例,重点结合规划的深空探测任务特点和应用场景,梳理分析了各具体任务对人工智能技术应用的潜在需求,并提出了对深空探测人工智能技术应用的一些看法和发展建议。     

萤火一号探测器的关键技术与设计特点

对中国第一颗火星探测器的功能与组成以及超远距离通信技术, 深空探测自主姿态确定与控制技术, 火星探测器热控制技术, 火星探测器超低温适应等关键技术进行了分析, 并提出了关键技术的解决途径, 结合工程阶段的技术状态, 论述了中国火星探测器的设计特点, 对该探测器的研制以及后续相关型号任务的研制和生产具有良好的参考价值.      

深空天文自主导航技术发展综述

航天器地面无线电导航在深空中面临着信息传输时延长、数据传输率低、天体遮挡等问题,难以满足未来深空探测的导航需求。天文自主导航技术利用天文信息为航天器提供导航支持,可有效提高其在深空中的生存能力及任务执行能力,已成为深空导航领域的研究热点。结合国内外深空探测任务及其实际工程需求,首先概述了深空天文自主导航技术发展的现状和特点,进而总结了深空天文自主导航的发展趋势和重点研究内容,最后对深空天文自主导航技术的发展提出了若干建议。     

航天简讯

深空－１探测器的近况及后续任务□□ＮＡＳＡ的深空－１探测器已进行了１１个月的技术验证任务，深空－１的管理者计划提交一项于２００１年与２颗彗星的交会计划。深空－１探测器是美国“新盛世”计划的第一个飞行器，于１９９８年１０月发射，总经费为１．５２亿美元，主要任务是试验和验证一些用于未来飞行器的技术。１９９９年５月，深空－１探测器的工作人员成功地进行了遥控试验，编制的一组人工智能软件使深空－１探测器在没有地面控制人员指挥的情况下作出了一些重要的决定。试验证明该系统能作出正确的决定并接受精确的飞行指令，…     

基于视线矢量的深空自主导航算法研究

针对深空探测器在行星际飞行的轨道确定问题, 研究了一种基于视线矢量的自主导航算法. 结合深空探测任务的特点, 以太阳视线矢量和地球视线矢量作为导航系统的观测量, 在详细分析太阳敏感器测量原理的基础上, 给出了太阳视线矢量的观测模型及其观测误差表达式. 通过分析导航相机观测原理, 给出像元像线观测模型, 并推导了地球视线矢量的观测误差. 根据惯性空间内视线矢量间的几何关系, 详细推导了探测器的位置矢量及其误差表达式, 结合非线性扩展卡尔曼滤波建立自主导航算法. 利用深度撞击任务的实际飞行数据对本文提出的深空自主导航算法进行了仿真验证.      

基于中国深空站的木星探测器开环测量试验

中国深空网的建立用以支持我国正在实施的探月工程及后续火星、小行星、木星等探测任务。为验证中国深空网的跟踪测量能力,并获取行星无线电测量数据,基于中国深空站开展了对木星在轨探测器"朱诺号"(Juno)的跟踪测量试验与数据处理分析。在分析各种观测约束条件的基础上,首次实现了中国深空站在地—木距离上的深空探测器开环跟踪测量,通过VLBI数据采集记录终端原始探测器信号,经信号处理提取"朱诺号"探测器的主载波频率。采用傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、线性调频Z变化及信号本地重构相关的联合信号处理方法,"朱诺号"探测器主载波频率提取噪声水平在10μHz水平,有效验证了深空开环测量技术,为后续我国深空探测任务积累了有益经验。     

深空探测中的自主无线电关键技术

深空探测中的自主无线电主要作用是实现多个深空探测器间的通信,优点是能在未知无线电环境下不需要地面干预,自动实现无线电参数的识别和配置.阐述了自主无线电技术对深空探测的必要性.在与常规无线电技术、软件无线电技术比较的基础上,论述了深空探测中的自主无线电技术,分析了其必须解决未知无线电环境下参数估计这一关键问题.针对无线电参数估计目前存在的因果循环问题,提出了一种自主无线电技术参数估计迭代层次结构模型,分析了各层间的消息类型和迭代过程.