"天问一号"着陆中继通信系统设计与验证

"天问一号"火星探测任务是中国通过一次发射,实现对火星"绕、落、巡"的探测任务.火星探测任务的进入、下降及着陆段(Entry,Descent and Landing,EDL)是整个任务过程中最为重要的环节之一.基于该过程中继通信任务特点,介绍了"天问一号"火星探测器为适应EDL段通信任务时序复杂、高自主性、黑障现象以及...     

“天问一号”火星探测器关键任务系统设计

“天问一号”任务是我国行星探测的首次任务,在国际上首次通过一次任务实现了火星“环绕、着陆、巡视”的三步跨越.“天问一号”探测器由中国空间技术研究院负责抓总研制,包括环绕器和着陆巡视器两个组成部分.对“天问一号”探测器的任务特点和概貌进行了介绍,对包括飞行过程、远距离深空通信、火星捕获过程、火星进入下降及着陆过程、火星车解锁驶离和火面工作等关键环节的设计方案进行了描述,对“天问一号”所取得的技术成果与创新进行了总结.     

基于工程约束的火星着陆区选择

火星着陆区选择是火星着陆及巡视任务的重要工作之一,着陆区选择需要兼顾科学目标和工程约束,考虑高风险的任务特点,火星着陆任务的工程约束更为重要。工程约束涉及着陆区表面特征、任务轨道、大气等。表面特征包括地理高程、斜坡及地形起伏、岩石分布、尘土厚度、光照、热约束情况。这些因素将影响探测器进入、下降和着陆(EDL)过程的安全性和火星车移动能力。首先针对这些工程约束进行了排序与筛选;然后建立了基于模糊算法的分析模型,通过模糊推理得到各着陆区域的评价指标,从而进行着陆区选择;最后基于ExoMars2020任务的备选着陆区进行了方法验证。     

天问一号火星进入舱热控系统设计与验证

天问一号火星进入舱携带祝融号火星车实施进入、下降、着陆过程,其热控系统设计主要面临地火转移外热流大幅变化、进入火星舱壁气动烧蚀长时高温、着陆发动机点火局部超高温等技术挑战。为此,综合采用隔热设计、等温化设计、主动控温设计等热控手段,针对外热流大幅变化应用了新型SAL-2热控涂层,为解决局部超高温问题研制了新型气凝胶热防护装置,完整构建了进入舱的高效可靠热控系统。飞行遥测数据表明,全飞行过程设备温度和热控功耗均优于指标要求,进入、下降、着陆过程工作设备温度范围5.0~40.3℃,整舱平均控温功耗不超过43W,验证了进入舱热控系统设计的有效性。     

天问一号进入下降着陆过程GNC关键技术

正1引言我国首次火星探测任务天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器(包括进入舱和祝融号火星车)组成,通过一次任务实现了火星环绕、着陆和巡视三大目标[1]。天问一号探测器于2020年7月23日成功发射,2021年2月10日进入火星环绕轨道,2021年5月15日7时18分,着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选区,标志着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。     

火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制方法研究

针对火星定点采样、载人登陆和基地构建等任务的需求,提出了一种火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制(Guidance Navigation and Control,GNC)方案。针对大气进入前的高精度导航需求,提出了基于X射线脉冲星和火星表面陆标图像的融合自主导航方法;针对火星着陆探测进入、下降和着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)过程的高精度绝对和相对导航需求,提出了基于陆标图像、IMU(Inertial Measurement Unit)和测距测速信息的多信息融合自主导航方法;针对精确定点着陆要求,设计了大气进入和动力下降过程的制导与控制算法。数学仿真结果表明,提出的方案能够实现高精度的定点着陆(精度100 m)和相对避障(精度为0.5 m),可满足任务需求。     

火星大气进入下降着陆段测控通信关键技术研究

着眼于我国首次火星探测任务着陆器EDL(Entry Descent and Landing)飞行段高风险特性,结合火星大气和地表环境分析了这一飞行阶段的主要特点和难点,系统地回顾了国外历次火星着陆任务的基本概况和任务失败的经验教训,并以美国"好奇号"着陆任务为例介绍了EDL期间可采用的主要通信手段,详细梳理了火星大气黑障段通信策略、调制体制选择以及高动态弱信号检测处理方案等测控通信需要解决的关键技术。最后对我国首次火星探测任务的关键技术攻关,任务准备和实施提出了建议。     

火星着陆探测任务关键环节技术途径分析

火星进入、下降与着陆技术(entry,descent and landing,EDL)是火星着陆探测最为关键的环节。火星与地球再入返回过程相比,由于火星大气成分、物理性质与地球大气存在较大差别,且具有较大不确定性,使火星EDL过程历经时间短、状态变化快,对减速性能要求高,时序紧张。从工程实现角度分阶段开展了任务分析,识别了火星EDL环节面临的问题和挑战,提出了关键环节技术途径选择。     

火星科学实验室着陆系统全过程GNC技术分析

基于经典火星探测任务的数据对比,以美国最近实施的火星着陆探测器"火星科学实验室"为例,对着陆全过程的导航、制导与控制(Guidance Navigation Control,GNC)系统情况进行了深入的分析和研究,对其中的关键技术进行了系统阐述。基于目前技术和发展方向,总结了典型的探测器着陆方式的研究现状,并对未来火星探测着陆段提出展望。可为中国火星以及其他行星的探测任务方案的设计与论证提供参考。     

2021年中国航天十大新闻

1.中国首次火星探测任务取得圆满成功 5月15日,天问一号探测器成功着陆火星,我国首次火星探测任务着陆火星取得成功.中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平致贺电.天问一号探测器着陆火星,迈出了我国星际探测征程的重要一步,实现了从地月系到行星际的跨越,在火星上首次留下中国人的印迹,是我国航天事业发展的又一具有里程碑...     

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.     

无人火星取样返回任务关键环节分析

无人火星取样返回探测在科学成果获取和工程能力提升方面均具有重要意义,与国外已经多次实现的火星着陆巡视任务相比,其任务周期更长,技术风险更高。取样返回飞行方式决定了任务的系统顶层设计。通过对国外研究成果的对比论证,认为应当在火星轨道附近完成交会捕获与样品转移任务,因此需要采用2个不同功能探测器:一个完成火星捕获、样品转移收纳与火地返回;另一个完成火星大气进入、表面上升与样品投送。在此基础上对大气进入、起飞上升、火星轨道交会捕获、样品转移、地球再入等关键环节进行任务分析,论证主要技术难点和初步的可实现途径。     

Multi-objective optimization of parachute triggering algorithm for Mars exploration

A multi-objective optimization procedure to design parachute triggering algorithm, based on Monte Carlo analysis of flight uncertainties, has been developed in this paper. Most of Mars explorations missions utilize parachute for a safe descent through the lowest of the atmosphere. The parachute triggering algorithm is designed to accommodate the range of off-nominal entry trajectories, and is aimed to parachute opening in certain range of Mach numbers, dynamic pressure and altitude. Our novel algorithm takes the fight uncertainty into the account through Monte Carlo analysis, selects maximization of altitude statistical mean and minimization of Mach number statistical mean as two objectives, then employs multi-objective evolutionary algorithm based on decomposition (MOEA/D), to search the Pareto-front framework. Such a methodology can be implemented on the future design of entry, descent, and landing (EDL) mission.     

“火星科学实验室”巡航段导航、制导与控制

介绍了美国最近实施的火星着陆任务——"火星科学实验室"在巡航段的姿轨控制和导航系统、巡航轨道控制的约束条件、控制策略设计和执行过程,并对巡航段导航、制导与控制相关经验进行了分析和总结,对于我国即将展开的自主火星探测具有一定的参考价值。可以得到的启示包括:通过蒙特卡洛仿真制定详尽的轨道控制策略,对非引力作用进行精确建模并标定,细化各种故障预案,选择合适的运载火箭入轨瞄准点,并增加海外测控站。     

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。