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。     

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。     

基于改进预测滤波的小天体精确着陆自主导航方法研究

针对小天体形状不规则、质量不均匀导致模型建立不准确的问题,研究基于改进的预测滤波实现自主着陆过程中精确导航的关键技术。在导航算法设计中,首先建立了小天体引力场模型,并建立了导航系统运动学模型,然后建立了基于惯性测量单元、光学相机及测速敏感器多信息融合的测量模型,结合扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter, EKF)算法对非线性预测滤波(Nonlinear Predictive Filter, NPF)算法进行改进,在该导航算法下,对系统的可观性进行了分析。仿真结果表明:在引力不确定性引起的模型不准确度下,该方法可实时估计模型误差,在与EKF导航精度比较的基础上验证了改进的NPF算法的有效性和精确性。     

基于陆标图像的火星精确着陆自主导航方法研究

针对火星精确着陆自主导航高精度的要求,提出一种仅利用火星地表陆标图像信息的自主导航方法。该方法考虑了图像拍摄到图像测量信息可用之间的时间延迟,将成像时刻探测器位置和姿态作为系统状态,利用其与探测器当前状态之间的相关性,并通过迭代扩展卡尔曼滤波算法实现对探测器当前位置、速度和姿态的估计。在该导航方法下,重点研究了导航陆标位置误差对导航精度的影响。最后,通过数学仿真验证了所给出的自主导航方法,并分析了导航陆标位置误差对导航精度的影响。     

火星软着陆能量最优制导律转移能力分析

着陆器在动力下降段的转移能力是影响定点软着陆的重要因素。文章从转移能力的角度出发,研究火星软着陆动力下降段能量最优制导律,分析燃料质量系数、时间权重以及不同初始高度和速度对转移能力的影响。由于能量最优制导律不能保证满足路径约束,因此对于确定的着陆器初始状态,着陆器转移能力不仅与燃料质量系数有关,还受到制导律本身的制约。当转移距离超过一定的界限时,尽管燃料充足,着陆轨迹会进入地表以下,造成任务失败。时间权重是能量最优制导律的关键参数,既影响燃耗,也影响着陆轨迹的形状。实际工程任务中,为实现燃料的充分利用,需根据着陆器状态调整制导律中的时间权重。本文给出了最优时间权重的确定方法,实现了一定燃料质量系数下的最大转移能力。     

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。     

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。     

基于MPSC和CPN制导方法的协同制导律

针对带有末端攻击角度约束的多导弹协同制导问题,运用模型预测扩展控制（MPSC）和协同比例制导（CPN）,设计了一种满足末端攻击角度约束的多导弹协同次优制导律。阐述了MPSC制导方法的基本理论,详细给出了控制量表达式以二次形式近似时MPSC制导律的设计过程。采用CPN对MPSC制导方法的初始控制量进行猜测,并确定协同攻击时间。仿真时考虑两枚导弹对地面静止目标进行协同攻击。仿真结果表明,两枚导弹攻击时间偏差和末端攻击角度偏差均可控制在给定范围内,即本文所设计的制导律在实现多导弹协同攻击时,还可以很好地满足末端攻击角度约束。      

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.     

基于在线约束限制的飞行器预测校正制导

针对传统预测校正算法在再入过程中弹道性能与约束无法保障等问题,提出了一种基于倾侧角参数化的离线弹道优化与在线预测校正相结合的再入制导方法。基于平衡滑翔条件对过程约束进行分析,并证明了倾侧角剖面对射程的单调性。离线部分通过控制量参数化(CVP)方法构建控制模型,并使用序列二次规划(SQP)方法对弹道进行优化,从而大幅度提高弹道性能。在线部分利用Gauss-Newton法实时对弹道进行迭代求解,得出满足终端约束的倾侧角剖面,引导飞行器平稳、精确地飞向末端能量段并满足射程约束,Gauss-Newton法求解弹道具有收敛速度快、精度高的特点。针对高升阻比飞行器导致平衡滑翔条件难以成立以及飞行过程中的强干扰使约束超出的问题,提出了一种约束限制方法,对再入时的过程约束进行了有效的保障。仿真结果表明,本文方法对投放偏差、飞行器参数与大气模型等不确定因素具有良好的鲁棒性,对弹道性能的保障具有工程应用价值。     

月球精确软着陆制导轨迹在轨鲁棒跟踪

为实现在月球表面期望的着陆点进行精确软着陆(PPL),在开环制导规划出的最优标称轨迹基础上,考虑动力下降过程中的干扰和不确定性,对在轨闭环轨迹跟踪制导方法进行研究.针对月球PPL三维球体非线性轨道动力学模型,充分考虑自主制导的鲁棒性、实时性要求,采用动态平面控制技术的思想,解决退步法存在的"计算复杂性膨胀"问题,并证明了闭环系统的稳定性.仿真算例表明,该方法不仅算法简单,过渡过程能够实现快速跟踪,而且能够保证稳态跟踪误差在预先给定的范围之内且可以自由调节.     

天问一号火星软着陆制导、导航与控制系统

天问一号火星探测器成功实现了我国首次火星表面软着陆,进入舱制导导航与控制系统(GNC系统)负责在火星进入下降着陆过程实施进入舱的姿态与轨道控制,确保进入舱安全着陆火星表面.介绍了执行天问一号火星EDL任务的GNC系统飞行阶段划分、系统组成、方案架构,以及针对火星EDL任务的特色设计,最后介绍了GNC系统在轨飞行结果.     

基于陆标图像的天体定点着陆信息融合导航方法

要安全准确着陆于地外天体指定地点,探测器在下降过程需实时精确确定其相对位置和速度.针对惯性导航结合斜距和相对速度测量的导航方式不能修正相对水平位置估计的缺点,以及多敏感器测量信息融合问题,提出基于陆标图像和协方差交叉算法的天体定点着陆自主导航方法.将光学成像敏感器加入到组合导航系统中,用于测量探测器相对陆标的视线方向以获得关键的相对水平位置信息.在状态估计时采用基于协方差交叉的分布式扩展卡尔曼滤波对多源测量信息作最优融合,提高算法的精度和鲁棒性.通过数学仿真验证了该方法的有效性.     

月球软着陆的高精度自主导航与控制方法研究

提出了一种月球软着陆的高精度自主导航和控制方法.根据测距波束视线相对月面的几何关系,确定本体系的月心方向,组合利用测速仪获取的本体系三维速度确定本体系相对轨道系的姿态、速度及高度,并根据确定的参数性质选取适应的制导和控制方法.算法基于直接测量数据确定和控制姿态、高度和速度,不受惯性导航误差的影响,可以有效地提高姿态、速度与高度的确定精度和控制精度.数学仿真表明了算法的有效性.     

月/火着陆制导方法与考虑不确定性的研究进展

上世纪六七十年代和21世纪后的两轮月/火探测热潮产出了丰硕成果,以Artemis计划、探月工程四期和火星采样返回为代表的新一批任务已拉开帷幕,站在这一特殊历史节点,对月/火着陆制导技术进行综述。首先,阐述了月/火着陆的物理过程,指出了未来复杂探测任务对制导技术的挑战。随后,鉴于轨迹优化这一技术分支近年取得的广泛发展,讨论了其与制导的联系。然后,回顾了月/火探测工程任务的技术遗产,包括多项式制导、动力显式制导、Apollo进入制导、预测校正制导以及凸规划制导。鉴于动力学与环境不确定性的挑战日益突出,讨论了来自人工智能、先进优化与控制等领域的潜在理论工具,能够为制导技术的发展提供新动力。最后,面向随时随地、高精度、高可靠、高自主着陆的制导技术发展需求,总结了后续研究方向。     

火星着陆自主导航方案研究进展

火星着陆导航技术是火星着陆过程的核心技术之一。围绕火星着陆环境特点与导航技术遇到的挑战,分析了目前火星着陆过程的导航能力和自主导航的发展趋势,并针对火星着陆过程的特殊性和导航需求,概述了火星着陆过程各阶段自主导航方案的研究现状与进展。进而从导航方案设计与配置、导航模型建立与仿真、导航方案性能分析等方面,对自主导航方案的最新研究进展进行了分析,并在火星着陆全过程自主导航方案综合仿真的基础上,获得了满足火星定点着陆要求的各阶段交接点应满足的导航精度。最后,基于目前技术现状和发展趋势,提出了构建"递进式三阶段"火星着陆自主导航方案的设想,可为未来火星着陆自主导航方案的设计与论证提供参考。