非一致终端约束下火星大气进入段制导律设计

针对小升阻比的火星探测器在火星大气进入过程中所面临的难点问题,对火星大气进入过程制导方法进行了研究。首先在确知探测器弹道系数和升阻比的前提下,考虑过程量及开伞条件约束,优化设计再入飞行的初始再入角。然后考虑非一致终端约束和飞行器的有限机动能力,设计参考轨迹剖面,并确保其能提供足够的裕度来应付各种参数不确定性。最后设计标准轨道法制导律,完成轨迹有效跟踪,并通过六自由度仿真验证了算法的合理性,为火星着陆项目中大气进入段制导方案设计提供参考。     

火星大气进入滑模自抗扰制导方法

针对火星探测器大气进入制导阶段存在着模型参数误差等不确定性,基于直接反馈线性化理论设计了一种滑模自抗扰进入制导方法。首先利用反馈线性化方法对跟踪系统模型进行线性化处理;在此基础上设计了滑模控制律,并利用线性扩张状态观测器估计系统的未知不确定量,在控制律中进行补偿;此外还给出了大气进入段的横向制导律。仿真结果表明,与反馈线性化方法相比,该方法设计的制导律有效地降低了模型参数误差对制导精度的影响,实现了对参考轨迹的良好跟踪,提高了探测器开伞点的精度。     

火星探测器进入段预测校正制导方法

根据美国宇航局的计划,未来火星探测任务的要求是能确保在高精度和高海拔的火星表面着陆,而进入段所使用的制导方法是探测器能够精确着陆的关键。文章首先介绍了两种进入段制导算法——标称轨迹算法和预测校正算法,通过比较得出预测校正算法对于初始扰动的敏感性较低,但需要有较高的在线计算能力;其次,文章对于预测校正中的横向控制,纵向控制算法和航向调整算法进行了详细介绍,同时提出一种通过增加检测点的改进预测校正算法;最后对算法进行软件仿真,仿真结果表明:这种进入段预测校正制导算法在有很高不确定性的情况下仍然能体现出可靠性和鲁棒性。     

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。     

基于约束预测控制的火星大气进入轨迹跟踪

针对火星着陆任务大气进入段的轨迹跟踪控制问题,给出了一种基于约束预测控制的跟踪策略。综合考虑大气进入段动力学模型的非线性、状态初值的不确定性、控制量限幅约束以及参数摄动,设计了基于线性化阶跃响应预测模型、反馈校正和含约束滚动优化的约束预测控制器,并通过数学仿真对该方法进行了数值验证,结果表明:约束预测控制较PID对参考指令跟踪精度更高,开伞点误差圆半径远小于PID方法;能得到控制量限幅约束条件下平稳的控制曲线。     

基于燃料最优解的火星精确着陆制导策略研究

针对火星着陆任务高实时性和低燃耗的需求,提出了一种新的基于开环燃料最优解的精确着陆制导策略。通过分析开环燃料最优解特性,设计了利用发动机推力幅值切换处的状态作为路径点结合最优线性制导律进行分段制导的制导策略,在无需存储全部燃料最优轨迹的前提下,实现具有近燃料最优特性的着陆任务,节省了大量的存储空间。同时详细讨论了包括全局燃料最优解获取、路径点提取、路径点拟合等一系列关键问题,并通过典型火星着陆场景的大量数学仿真验证了所提出策略的可行性和优越性。     

火星大气进入段侧向预测校正制导律设计

火星大气进入段预测校正制导方法通常采用误差走廊来约束侧向运动,该方法只能满足侧向运动的末端约束,而无法实现对侧向运动过程约束的满足。将预测制导的方法引入侧向制导律设计中,该方法无需离线规划误差走廊,而是根据侧向运动中的相关约束,在线计算倾侧角反转时刻,从而同时满足侧向运动的末端约束与过程约束,并能够克服采用误差走廊可能导致的飞行器因频繁反转机动而使燃料过快消耗的问题。仿真结果表明:该侧向预测制导律不仅能满足开伞位置精度,同时也能实现对进入轨迹侧向运动的灵活规划。     

升力式火星探测器进入轨迹优化设计仿真

针对升力式火星探测器在其完成星际转移轨道之后,由预定进入点开始反冲制动改变运行轨道进入火星大气,设计并仿真了进入段的轨迹优化。根据火星的大气密度及引力场参数,建立相应的火星大气模型及引力场模型,确定了升力式火星探测器的运动方程。在满足进入过程的约束条件下,采用遗传算法对进入轨道进行优化设计,提出不同的推力发动机制动方案并进行分析比较。结果表明,采用推力方案二能够实现性能指标最优,并求得着陆速度为136m/s,最终实现了探测器在火星表面的软着陆。     

一种基于标准弹道法的自适应制导律设计

提出一种基于自适应补偿思想的再入飞行器纵向制导律改进方法.首先利用未知摄动函数描述纵向动力学方程,并基于此设计了对气动参数变化具有自适应能力的控制律,与原标准轨道控制律叠加形成全控制律,最终用于再入制导.仿真结果表明,所设计的控制律对于气动参数变化,大气密度变化具有较好补偿效果.     

有限时间收敛的阻力加速度跟踪进入制导律

摘要：针对地球或火星的大气层进入过程提出一种具有有限时间收敛性质的阻力加速度跟踪鲁棒制导律.将再入动力学方程抽象为一类带有不确定性及扰动的非线性系统,并针对该类系统提出一种基于滑模控制的有限时间鲁棒控制律.将所提出的理论方法应用于阻力加速度跟踪制导律的设计中,设计可使阻力加速度在有限时间内跟踪上标称值的制导律.仿真验证方法的有效性和先进性.     

Active disturbance rejection control for drag tracking in mars entry guidance

Future Mars missions will require precision landing capability, which motivates the need for entry closed-loop guidance schemes. A new tracking law – active disturbance rejection control (ADRC) – is presented in this paper. The ability of the ADRC tracking law to handle the atmospheric models and the vehicle’s aerodynamic errors is investigated. Monte Carlo simulations with dispersions in entry state variables, drag and lift coefficients, and atmospheric density show effectiveness of the proposed algorithm.     

Mars entry guidance using a semi-analytical method

Future Mars missions may require improved landed accuracy to facilitate the landing site selection and finally access a region of complex terrain with high scientific return. This paper is to develop a novel, robust, and precision entry guidance algorithm for Mars entry vehicles with low lift-to-drag ratios. In the presence of large uncertainties, the entry terminal point controller algorithm can encounter severe performance degradation due to: (1) the small perturbation assumption, and (2) theoretically ignoring deviations in the atmospheric-density model, aerodynamic-force model, etc. Based on numerical technologies and the classical variation method (VM), this work develops a semi-analytical (SA) algorithm, in which combined effects of several dynamic uncertainties now can be addressed. The terminal-downrange error is predicted by a numerical predictor such that the dependence on the reference trajectory can be reduced and then the issue caused by the small perturbation assumption can be addressed. Such a predicted terminal-downrange error is finally corrected by an analytical corrector, which is designed by the VM. It is indicative that there can be no numerical iterations in the SA algorithm. Numerical results demonstrate the effectiveness of the SA algorithm.     

Radio beacons/IMU integrated navigation for Mars entry

High precision entry navigation capability is essential for future Mars pinpoint landing missions, together with the entry guidance and aerodynamic lift control. This paper addresses the issue of Mars entry navigation using inertial measurement unit (IMU) and orbiting or surface radiometric beacons. The range and Doppler information sensed from orbiting or surface radio beacons and the entry vehicle state information derived from IMU are integrated in Unscented Kalman filter to correct the inertial constant bias and suppress the navigation measurement noise. Computer simulations show that the integrated navigation algorithm proposed in this paper can achieve 50 m position error and 2 m/s velocity error, which satisfies the need of future pinpoint Mars landing missions.     

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。     

考虑控制约束和不确定性的火星最优进入制导

摘要： 针对火星进入段控制受约束、大气环境以及探测器自身参数不确定性等问题,提出控制受约束的火星最优鲁棒进入制导方法.将针对参数不确定系统的最优性能指标转换为针对标称系统的修正性能指标;同时考虑控制约束,在性能指标中引入饱和函数,将制导问题转化为求解修正Hamilton Jacobi Bellman (HJB)方程问题;由于HJB方程是偏微分方程,求解有难度,利用神经网络的逼近能力近似求解.本文制导方法保证了不确定系统有最优的性能指标上界和较强的鲁棒性.最后将其应用到火星进入制导中,仿真结果表明系统存在不确定的情况下,仍可以很好地满足火星进入段终端条件,控制量也在约束的范围内,从而验证所提方法的有效性.