美国2020火星车着陆区遴选进展及对2020中国火星任务着陆探测部分的一些思考

总结了近20年来火星探测的重要发现以及生命、气候和地质3个方面尚未解决的关键科学问题;介绍了美国国家航空航天局(NASA)2020火星探测任务的科学目标、科学载荷和着陆区选择的工程条件限制,并重点分析了经过3次着陆区选择研讨会,上百位行星科学家投票选取的排名前3的预选着陆区的地质情况。在此基础上,提出了对我国2020年火星任务的着陆探测部分的一些思考,并根据不同的任务目标(聚焦生命、气候和地质问题;支持载人火星探测的资源勘察;工程技术验证)提出了3个候选着陆区。     

嫦娥四号月球背面南极-艾特肯盆地着陆区选择

正嫦娥四号实现了人类首次月球背面软着陆。选择既满足工程约束又具有较高科学价值的着陆区,是着陆任务设计需要解决的首要问题之一。嫦娥四号着陆区选择在月球背面南极-艾特肯(South Pole-Aitken,SPA)盆地内,同嫦娥三号平坦的虹湾着陆区相比,月球背面地貌以高地为主,遍布撞击坑,地形较为崎岖,存在无大面积平坦区域和地形可能对着陆区内探测器造成光照、测控遮挡等难题。本文对嫦娥四号着陆区选择的影响因素进行分析,归纳出科学和工程共计10个影响因素,提出了基于实现性、可达性、安全性的着陆区多层次优选方法。     

基于模型预测控制的多约束火星精确着陆制导律研究

主要研究了火星着陆动力下降段考虑燃料消耗和实际任务约束条件的制导律设计问题。选取可变推力发动机作为执行机构,首先建立了着陆器在动力下降段的运动方程及质量变化方程;其次对实际任务中需要考虑的斜坡、推力幅值和方向等约束条件建立了约束模型;接下来通过构造由控制量和状态量构成的性能指标,提出一种基于模型预测控制的多约束火星精确着陆制导算法。可实现多种约束条件下的指标最优精确着陆任务。最后,通过数值仿真对比了本文与已有典型着陆策略,验证了所提算法可以在满足约束条件的前提下有效地完成既定火星精确着陆任务。     

火星车绝对定位方法选择

针对火星巡视探测任务,提出3种火星车绝对定位方法:无线电测控定位、图像匹配定位、位置圆定位。无线电测控方法首先确定环绕器的轨道,然后利用环绕器和火星车的器间通信定位确定火星车的绝对位置;图像匹配方法利用着陆过程中的降落图像与带地理信息的着陆区地形图进行匹配,实现火星车的位置确定;位置圆方法通过敏感器在多个时刻测量阳光矢量方向和重力矢量方向,结合星历信息求解火星车的位置。对3种方法进行分析比较,根据定位精度、使用约束等因素,给出在轨使用建议:位置圆定位为基本方法,无线电测控定位作为校验手段,图像匹配定位作为修正手段,以满足火星车快速、高精度的定位需求。     

中国未来将实施四次重大深空探测任务

<正>中国的深空探测正由月球挺进更深远的宇宙。新华社记者从国家航天局获悉,我国未来深空探测工程将实施四次重大任务。这四次任务分别是:2020年发射首个火星探测器,一次实现火星环绕和着陆巡视探测;实施第二次火星探测任务,进行火星表面采样返回,开展火星构造、物质成分、火星环境等科学分析     

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。     

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。     

火星车的研制试验

正1引言2020年7月23日,我国天问一号火星探测任务实施,目标是实现火星环绕和着陆巡视探测,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器到达火星表面后释放火星车。     

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。     

备受青睐的火星探测——著名火星探测器一瞥

美国"双胞胎"寿命长 美国勇气号和机遇号火星车是一对一模一样的"双胞胎",各自长1.6米、宽2.3米、高1.5米,重174千克,大小与高尔夫球场的小车相似,于2003年6月10日和7月8日分别发射.它们主要完成的探测任务是判断火星上是否有过生物,明确火星气候特征,掌握火星地质特征;为人类探索打下基石.经过约半年的飞行,勇气号和机遇号分别在2004年的1月3日和24日经历了惊心动魄的6分钟降落过程之后在火星表面安全着陆.它们着陆方式采用与1997年在火星上着陆的"火星探路者"一样的弹跳方式.     

Scientific Objectives and Payloads of Chinese First Mars Exploration

China plans to implement the first Mars exploration mission in 2020. It will conduct global and comprehensive exploration of Mars and high precision and fine resolution detection of key areas on Mars through orbiting, landing and roving. The scientific objectives include studying the Martian morphology and geological structure characteristics, studying the soil characteristics and the water-ice distribution on the Martian surface, studying the material composition on the Martian surface, studying the atmosphere ionosphere and surface climate and environmental characteristics of Mars, studying the physical field and internal structure of Mars and the Martian magnetic field characteristics. The mission equips 12 scientific payloads to achieve these scientific objectives. This paper mainly introduces the scientific objectives, exploration task, and scientific payloads.      

利用CRISM数据探测火星表面含水矿物及其演化

火星表层矿物识别是了解火星大气环境变化、表层地质环境的关键因素。通过确定火星表层矿物,分析矿物特性,了解火星的环境状态、地质演化以及火星的未来适居性。火星勘测轨道器(Mars reconnaissance orbiter,MRO)上搭载的紧凑型侦察成像仪(compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars,CRISM)是针对火星矿物探测的最新的高光谱成像仪,以很高的光谱分辨率覆盖可见光至近红外波段,为火星表面的矿物分布及区域填图提供了可能。通过光谱匹配及计算CRISM光谱参数综合产品,分析了火星Jezero以及Holden撞击坑内的矿物成分及其演化。Jezero与Holden因其复杂而关键的地质特征,被列为火星2020登陆任务的备选登陆点。对这两个地点的矿物探测与填图分析不仅可进一步分析火星典型地质特征以及演化,而且还可以为未来的火星登陆点分析提供现实意义。在研究区域已检测到与水成蚀变相关的含水硅酸盐类以及碳酸盐类与含水硫酸盐类。水合矿物增加了这些区域曾经含水的可能性,且矿物的多样性表明研究区地质环境经历了不同的变化,其中Jezero地区不同于火星的绝大多数地区从中性环境到酸性环境的演化,有可能经历了从中性环境到碱性环境的演化。     

地外天体着陆点选择综述与展望

行星表面具有科学研究价值的区域往往地形复杂,对着陆的安全性提出了很高的要求。如何选择既满足工程约束又具有很好科学价值的着陆点,在提高任务可靠性的同时获得最优的科学回报,成为未来行星着陆任务需要解决的首要问题之一。回顾了以往地外天体着陆任务的着陆点分布情况,总结归纳了着陆点选取过程中需要考虑的因素,分析了当前的研究现状并给出一般选取流程,最后针对我国未来深空探测任务着陆点选择问题提出了一些思考与建议。     

我国首次火星探测任务

我国首次火星探测任务于2016年立项实施。综合介绍了国际火星探测的历史和现状,我国首次火星探测任务的工程目标和科学目标、总体技术方案、关键技术难点、预期创新成果。我国首次火星探测任务将通过一次发射,实现火星环绕和着陆巡视,对火星开展全球性普查和局部的精细探测,推进火星地形地貌与地质构造、土壤特征与水冰分布、表明物质组成、大气电离层和气候环境、物理场与内部构造等方面的研究。实现火星探测任务目标,针对火星探测面临的各种特殊环境,需突破长期自主管理与控制等8类关键技术,取得的一系列创新成果,将为我国建立独立自主的深空探测基础工程体系,掌握深空探测基础共性技术,形成开展深空探测的基础工程能力。     

Annual solar UV exposure and biological effective dose rates on the Martian surface.

The ultraviolet (UV) environment of Mars has been investigated to gain an understanding of the variation of exposure throughout a Martian year, and link this flux to biological effects and possible survival of organisms at the Martian surface. To gain an idea of how the solar UV radiation varies between different regions, including planned landing sites of two future Mars surface missions, we modelled the total solar UV surface flux throughout one Martian year for two different dust scenarios. To understand the degree of solar UV stress on micro-organisms and/or molecules essential for life on the surface of Mars, we also calculated the biologically effective dose (BED) for T7 and Uracil in relevant wavelength regions at the Martian surface as a function of season and latitude, and discuss the biological survival rates in the presence of Martian solar UV radiation. High T7/Uracil BED ratios indicate that even at high latitudes where the UV flux is significantly reduced, the radiation environment is still hostile for life due to the persisting UV-C component of the flux.     

Network science landers for Mars

The NetLander Mission will deploy four landers to the Martian surface. Each lander includes a network science payload with instrumentation for studying the interior of Mars, the atmosphere and the subsurface, as well as the ionospheric structure and geodesy. The NetLander Mission is the first planetary mission focusing on investigations of the interior of the planet and the large-scale circulation of the atmosphere. A broad consortium of national space agencies and research laboratories will implement the mission. It is managed by CNES (the French Space Agency), with other major players being FMI (the Finnish Meteorological Institute), DLR (the German Space Agency), and other research institutes. According to current plans, the NetLander Mission will be launched in 2005 by means of an Ariane V launch, together with the Mars Sample Return mission. The landers will be separated from the spacecraft and targeted to their locations on the Martian surface several days prior to the spacecraft's arrival at Mars. The landing system employs parachutes and airbags. During the baseline mission of one Martian year, the network payloads will conduct simultaneous seismological, atmospheric, magnetic, ionospheric, geodetic measurements and ground penetrating radar mapping supported by panoramic images. The payloads also include entry phase measurements of the atmospheric vertical structure. The scientific data could be combined with simultaneous observations of the atmosphere and surface of Mars by the Mars Express Orbiter that is expected to be functional during the NetLander Mission's operational phase. Communication between the landers and the Earth would take place via a data relay onboard the Mars Express Orbiter.     

月地转移轨道中应急调整异面着陆场的轨道控制及优化方法

摘要： 针对月地返回轨道周期较长、不确定性较大的特点,结合我国主、副着陆场的分布情况,提出一种通过在月地返回轨道中实施双脉冲机动,以实现在应急条件下将再入平面调整至原再入平面以外的异面再入落区方法.应用一种迭代算法实现了在月地系统复杂引力场中求解Lambert问题的精确解;而后,结合最优的必要性判定条件以及模拟退火算法,应用一种交互式脉冲优化方法,可求得双脉冲机动的最优解为0.025 2 km/s,满足工程实际约束.     

月球重力转弯软着陆的模糊变结构控制

针对月球软着陆的最终段,提出了以重力转弯方式进行软着陆的模糊变结构制导律.首先设计了次优滑动面,然后引入模糊控制器,使滑动变量逐渐收敛到0,实现安全着陆.考虑了发动机推力偏差、着陆器初始质量估计偏差、月球引力加速度偏差、初始条件干扰、敏感器测量误差及姿态跟踪误差.并用Monte Carlo技术验证了所设计的模糊变结构制导律具有很强的鲁棒性,能够克服各种随机偏差及干扰的影响.因此,所设计的软着陆制导律是可行的,并且只须以斜向距离和斜向速度作为输入,工程实现简单.