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。     

月球软着陆过程高精度自主导航避障方法

针对未知地形和障碍会危及着陆安全的问题,给出了一种月球软着陆过程高精度自主导航避障方法,主要包括基于IMU配以测距测速修正的自主绝对导航、障碍识别与目标着陆点选取、针对目标着陆点的相对导航与相对避障控制等算法。该方法在保证着陆精度的同时也大大降低了着陆过程遇到障碍的风险,提高了系统的安全性,已成功应用于实际工程任务。     

探测器安全着陆风险评估与敏感性分析

探测器安全着陆是行星探测的关键环节,而目前着陆成功率偏低,进行安全着陆风险研究有着非常现实的工程需求.为此,首先分析探测器结构与着陆方式,梳理行星表面影响安全着陆的主要因素,明确着陆安全判据,然后基于蒙特卡罗思想,模拟行星表面地貌和探测器着陆方式,给出了探测器在盲降下安全着陆概率估计的仿真方法.在此基础上,考虑探测器尺寸和着陆区域面积,对探测器安全着陆概率进行敏感性分析,结果表明探测器的尺寸对安全着陆概率有显著影响.      

基于Terminal滑模的小行星探测器着陆连续控制

针对弱引力场不规则小行星探测器安全下降与着陆,提出了一种基于比例微分(PD,Proportional plus Derivative)及非奇异Terminal滑模的连续控制方法.在着陆点坐标系下推导了探测器的动力学方程,设计了开环燃料次最优多项式标称轨迹制导方法.针对下降和着陆两个不同阶段提出了PD和非奇异Terminal滑模变结构连续控制方法.将PD控制的易操作性与非奇异Terminal滑模控制收敛速度快、调整时间短有效结合,保证了探测器安全着陆.仿真结果表明了提出方法的可行性和有效性.     

基于Lyapunov函数的小天体软着陆障碍规避控制方法

针对姿轨耦合型探测器控制方法存在工程实现难、计算效率低的问题,提出一种基于Lyapunov函数的小天体自主软着陆障碍规避控制方法。首先,建立了小天体着陆过程姿态和轨道的动力学模型;其次,考虑探测器当前的势能与障碍地形对探测器的威胁选取Lyapunov函数,并根据Lyapunov稳定性原理推导了推力器的开关控制逻辑,能够实现到达目标着陆点的同时进行障碍规避,且该过程不需事先设计参考模型。同时,该控制逻辑具有解析形式,能够实现实时障碍规避。仿真结果表明,该方法能够有效实现规避障碍且满足姿态稳定的要求。     

小行星复杂形貌自适应附着轨迹动态规划方法

针对小行星表面复杂崎岖形貌对附着安全构成的威胁,提出一种形貌自适应附着轨迹动态规划方法。基于构建的附着过程多目标最优路径点序列,结合障碍检测信息在线评估探测器受到的碰撞威胁大小,当障碍与标称附着轨迹产生冲突时,通过设计最少路径点局部重规划方法,实现路径点鲁棒跟踪与局部避障轨迹动态规划的自主切换,增强探测器对复杂形貌环境的自适应能力,提高小行星附着任务安全性。     

基于多源影像的探测器月面着陆点定位与精度验证

探测器月面着陆点高精度定位是探测器着陆的重要技术环节,也是地外天体探测器开展各项工作的重要前提.本文基于多源图像数据,利用图像特征匹配和多重覆盖影像定位技术,设计了探测器月面着陆点高精度定位方法,并使用嫦娥三号任务相关影像进行了定位实验与精度验证.在高精度图像匹配和几何变换的基础上,降落相机序列影像间的匹配精度达到子像素,LRO NAC影像与中分辨率降落图像的匹配精度优于1pixel,最终解算的嫦娥三号探测器着陆点坐标为（44.1196°N,19.5148°W）.本文方法综合利用了多源图像数据,不完全依靠着陆区DOM底图的制图精度,是对影像与DOM底图配准定位结果的进一步精化,在未来的月球着陆探测任务中具有应用价值.      

一种基于LIDAR的精确月球软着陆目标点选定方法

研究了月球探测器不设悬停阶段的精确软着陆运动中实时目标着陆点的自主选定方法．其过程包括着陆器运动补偿、数字高程图（DEM）的生成、障碍识别和最优安全着陆点搜索4个步骤．采用LIDAR敏感器,由经过运动补偿得到的斜距数据生成DEM,给出一种月面地形坡度和粗糙度的定义,根据安全着陆区的判据进行障碍识别,最后设计中心螺旋式搜索方法对探测器最优安全着陆点进行搜索选定．通过仿真验证了本文方法的有效性和优越性．     

探测器触地关机软着陆稳定性分析

深空探测器软着陆过程中发动机未能正常关闭将极大降低其软着陆稳定性,因此引入了触地关机着陆方案。针对触地关机方案,建立了腿式探测器动力学分析模型及发动机推力控制模型。考虑着陆环境与探测器着陆状态的不确定性,采用蒙特卡罗模拟分别对探测器在主发动机关闭失败时、触地关机着陆方案下、带有姿态控制的触地关机着陆模式下的软着陆稳定性进行了分析。采用描述性采样方法抽取样本点,基于均值估计相对误差建立模拟终止准则,在保证模拟精度的前提下提高蒙特卡罗模拟效率。计算并对比了3种着陆方式下探测器软着陆可靠度,触地关机方案可在主发动机关闭失败后将探测器稳定着陆可靠度提升11.6%,姿态控制的引入可进一步将安全着陆的可靠度提升9.7%。      

基于蒙特卡罗法的月球探测器着陆稳定性分析

为了验证月球探测器的软着陆性能,建立了月球探测器着陆过程多体动力学仿真分析模型.由于探测器着陆地点及初始着陆条件的不确定性,采用蒙特卡罗法对探测器的着陆稳定性进行了研究.为了提高蒙特卡罗模拟的效率,采用了基于均值估计相对误差的蒙特卡罗模拟终止准则,从而在保证精度的前提下减少计算成本.通过着陆仿真试验,获得了探测器在给定坡度的月面上着陆时,各着陆性能参数的分布均值、方差及相应的置信区间等统计学结果,并计算了探测器安全着陆的可靠度.     

月球着陆器着陆安全分析方法

月球着陆器软着陆地点选择及安全着陆实现是探月二期的关键问题.采用不考虑着陆器着陆过程中发动机控制、着陆姿态控制和动力学性能,在计算机上依据低精度月面数据和已有月面典型地形特征分布/形状模型仿真生成高精度着陆区域;根据着陆器的结构尺寸和着陆安全要求对每个安全参数进行计算、比较、判断得到单次着陆安全性,利用蒙特卡洛方法计算多次在仿真地形上的着陆安全概率.试验结果表明:采用这种方法时,着陆器的结构尺寸相同分析结果才有意义.在计算机上仿真生成着陆区域、设置着陆器结构尺寸和安全参数,使其可以用于地面系统的仿真实验,也可在月面软着陆过程中实时分析选定区域的着陆安全概率.     

基于Unity3D的月面复杂地形场景构建及模拟驾驶系统

为了验证未来月面复杂地形操控技术方案,基于Unity3D物理引擎对月表模型、月球物理环境以及月面光照环境进行了模拟,设计并开发了一套用于模拟月球自主进行着陆点选址以及在线航天器着陆轨迹规划的系统。该模拟系统的工作过程包含了：基于面阵雷达与立体相机信息融合的局部月表重建、基于3D重建结果的月表地形着陆代价的快速评估与自动着陆选址,以及使登陆器能够到达选址目标的最优燃料消耗着陆运动规划,实现了月球着陆器短距离自主选址着陆的模拟系统构建,同时也从仿真的角度初步验证了“地形重建-地形评估-自主选址-软着陆”这一自主着陆过程的可行性。     

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。     

变构型多操纵面RLV进场着陆轨迹优化设计

针对变构型多操纵面可重复使用飞行器(RLV)的进场着陆问题,提出了一种进场着陆轨迹设计方法.将进场着陆轨迹分为深下滑着陆轨迹和拉平着陆轨迹;考虑了气动舵面可操纵偏转限制及深下滑拟平衡约束条件,对深下滑着陆轨迹进行了优化设计;考虑了RLV气动舵面调节余量和构型变化过程,以起落架放下时间、拉平法向过载及接地状态为约束,基于RLV动力学方程,采用轨迹推演的方法对拉平着陆轨迹进行了优化设计.深下滑着陆轨迹和拉平着陆轨迹组成完整的进场着陆轨迹,所设计的着陆轨迹综合考虑了多种约束条件,提高了着陆过程平稳性和安全性.      

光流控制地形跟随与自动着陆

将一种自研的光流传感器安装到飞行平台上,利用光流信息控制飞行器的地形跟随和自动着陆.测试了光流传感器的测量性能,建立了飞行器的运动模型,开发了基于光流反馈的地形跟随控制算法,提出了光流自动着陆的控制规律,并进行了数学仿真和硬件在回路的实时仿真验证,实验结果表明:光流信息可以一种相对简单的形式来巧妙地同时控制飞行速度和飞行高度,保证飞行器安全地执行多种飞行任务,实验证明了光流传感器在飞行控制中具有工程可行性.     

月面无人自主采样返回任务动力下降点确定及验证

动力下降点确定是实施月面软着陆的重要环节，是多系统间复杂迭代的过程，涉及轨道设计、制导律设计、着陆目标的采样区确定、着陆及起飞安全分析。其设计结果直接影响了最终着陆点的位置和着陆过程的着陆安全，也间接影响采样安全和采样工程目标的实现结果。针对嫦娥五号在实施月面软着陆前确定动力下降点的任务需求，提出了通过多次轨道控制与最优标称制导轨迹搜索联合控制策略的动力下降点确定方法。首先，根据月面无人自主采样返回任务设计总结了动力下降点确定原理和约束条件；然后，详细论述了月面无人自主采样返回任务软着陆过程动力下降点确定方法；最后，通过嫦娥五号在着陆前主要的几次轨控实施结果分析了其对动力下降点的影响，同时综合了着陆区地形分析及着陆、起飞安全性分析，对动力下降点进行确定并根据最终在轨飞行结果进行验证。验证结果表明，基于“逐次逼近寻优方法”的月面软着陆环节动力下降点的确定方法有效，可以为后续地外天体软着陆等任务提供参考和借鉴。     

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.