Photon counting detector for space debris laser tracking and lunar laser ranging

We are reporting on a design, construction and performance of solid state photon counting detector package which has been designed for laser tracking of space debris. The detector has been optimized for top photon detection efficiency and detection delay stability. The active area of the commercially available avalanche photodiode manufactured on Si (SAP500 supplied by Laser Components, Inc.) is circular with a diameter of 500 μm. The newly designed control circuit enables to operate the detection sensor at a broad range of biases 5–50 V above its breakdown voltage of 125 V. This permits to select a right trade-off between photon detection efficiency, timing resolution and dark count rate. The photon detection efficiency exceeds 70% at the wavelength of 532 nm. This is the highest photon detection efficiency ever reported for such a device. The timing properties of the detector have been investigated in detail. The timing resolution is better than 80 ps r.m.s, the detection delay is stable within units of picoseconds over several hours of operation. The detection delay stability in a sense of time deviation of 800 fs has been achieved. The temperature change of the detection delay is 0.5 ps/K. The detector has been tested as an echo signal detector in laser tracking of space debris at the satellite laser station in Graz, Austria. Its application in lunar laser ranging is under consideration by several laser stations.     

羽流场与月壤颗粒相互作用的一种新计算方法

针对登月着陆器发动机下降过程中羽流场与月壤颗粒相互作用问题提出了一种新的计算方法。通过Morh\|Coulomb破坏准则确定月壤颗粒可以被羽流扬起的临界剪应力,采用动量原理计算被扬起的月壤颗粒的质量大小及形成的月坑深度;基于牛顿第二定律,采用羽流场与月壤颗粒的流固耦合相互迭代的计算方法,获得被扬起月壤颗粒随时间的质量分布等。本文通过美国Apollo 11登月过程实测数据对该新方法进行了验证,为人类探月工程提供一定数据参考。     

月面巡视器实时动力学建模与牵引控制

为实现月面巡视器GNC系统的闭环测试,研究了六轮摇臂式巡视器在月表崎岖地形、松软土壤和低重力环境下的动力学建模与控制问题。基于弹塑性轮—土力学和粘弹性运动副约束分析,建立了巡视器的牛顿—欧拉动力学模型。以跟踪期望速度、角速度为目标,采用速度协调控制和车轮滑移控制,完成了巡视器闭环牵引控制。在实时操作系统下实现了巡视器动力学模型和牵引控制系统,并建立了三维可视化平台,对该动力学模型和牵引控制方法进行验证。测试结果证实了建立的动力学模型准确、稳定,可以真实地模拟巡视器在月球表面的运动行为和轮—土作用关系,且满足运动副的约束;所设计的牵引控制方法可以较准确地实现巡视器跟踪期望的运动。     

一种改进的巡视器惯性/视觉组合导航模型

在传统的以惯性与视觉相对运动参数差为观测量的惯性/视觉组合导航模型中,为了得到简单的观测矩阵,惯性相对旋转四元数与平台失准角之间的函数关系往往通过近似处理得到。但当航向角较大时,该近似处理的误差很大,不可忽略。为解决该问题,文章提出了一种不需该近似处理的改进的观测量误差分析方法,并建立了改进的观测模型。该方法利用含误差的惯性姿态已知的特点,得到了更精确的惯性相对旋转四元数误差表达式,减少了Kalman滤波中惯性与视觉相对旋转差的状态模型预测误差。月面仿真和地面试验表明该改进方法相比传统方法可实现更高的导航精度,其中位置精度提高达68%。     

六轮月球探测车运动学建模与分析

从运动特性上看，六轮月球探测车是复杂的多路闭链系统。完整的六轮月球探测车运动学模型应考虑所有车轮与地面的相互运动关系以及滑移的影响。现对滑移条件下的六轮月球探测车进行了运动学建模与分析。根据六轮摇臂式月球探测车的结构特点，以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具，详细推导了六轮探测车的正、逆运动学模型，分析了相关的运动学特性。所建立的运动学方程直接基于任意三维地形环境。在运动学建模与分析中，将车轮的各项滑移全部单独提取出来考虑，给出了滑移量的估算方法，提出了利用滑移估算值对闭环运动粹制讲行修讵的方法．该研究结果为六轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础。     

月球探测器着陆冲击试验及关键技术研究

中国正在开展月球探测活动,下一步将发射月球着陆器并实现月面软着陆。为确保着陆器在月面着陆时的稳定性和可靠性,发射前需在地球表面进行着陆冲击试验。对会影响月球着陆器着陆性能的月貌和月壤进行了详细的叙述,以便在试验过程中进行相应环境特征的模拟。用图表详尽阐述了三种月球重力场模拟器的原理和装置,并对各自的优缺点进行了评述。根据试验模型的不同,将月球着陆器着陆冲击试验分为原尺寸试验（模拟的月球重力场下）和1/6模型试验（地球重力场下）两类,分别介绍了两类模型的结构以及试验模型与着陆器原型机之间缩放关系。分别给出了原尺寸试验和1/6模型试验的试验平台和试验步骤,以及初始试验参数的给定方法。根据试验研究的需要以及月球探测器在月球表面着陆时的真实情况,给出了在地球上进行着陆模式模拟的方法。研究表明两种试验结果之间有良好的一致性,但是这两种试验的花费很高,且对试验场地有较高的要求。再者,由于在试验中对月壤没有太好的模拟方法,试验数据与真实着陆时数据存在一定差异。     

一种基于单应的月球车车轮沉陷视觉测量方法

在月面环境下车轮沉陷严重地影响月球车的移动性能和定位精度,针对现有基于视觉的车轮沉陷检测方法存在系统误差等缺陷,提出了一种基于单应的月球车车轮沉陷视觉测量方法。首先通过分析指出现有的基于视觉的车轮沉陷检测方法存在系统误差。然后引入三维空间中车轮侧面所在平面与摄像机图像平面之间的单应,把由图像处理技术得到的车轮沉陷信息从图像平面变换到车轮侧面所在的平面,在三维空间中计算车轮沉陷,从而消除了现有方法中的系统误差。通过限定感兴趣区域以及引入一维空间滤波器,在图像中检测车轮沉陷信息更加快速、鲁棒。仿真数据实验以及月球车原理样机在模拟月面地形下的真实图像数据实验都表明新方法是有效可行的。     

月球探测器动力下降段最优轨迹参数化方法

为保证月球探测器进入姿态调整段时具有充分的高度与速度余量,本文提出一种基于控制变量参数化的月球探测器动力下降段最优轨迹求解方法。在三维探测器软着陆动力学模型基础上,将月球探测器软着陆制导律设计等效为燃料最优约束下的探测器俯仰角控制问题,利用控制变量参数化(Control Variables Parameterization, CVP)方法将该控制问题中的控制变量与约束条件转化为非线性规划问题求解,并引入时间尺度变换,将着陆时间序列加入待规划参数,进而求得满足精度的最优数值解。蒙特卡罗仿真实验表明,与传统的显式制导律相比,本文提出的参数化制导方法在动力下降段燃料更省,动力下降段的起始高度在±20%范围内波动时,仍能以高精度速度和高度指标完成末制导。     

嫦娥五号月球轨道交会对接远程导引轨道设计与飞行实践

结合月球轨道交会对接任务的特殊性和中国探月工程的实际工程约束,介绍了嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计,包括轨道器调相和上升器远程导引两方面内容,重点介绍了月球轨道交会对接远程导引多脉冲调相轨道方案的选择、标称轨道优化设计、轨控策略和误差分析结果以及实际飞行轨道控制的情况。飞行实践数据分析表明:嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计是正确合理的,实际飞行的速度增量满足推进剂预算的要求,全飞行过程测控条件良好,交班点控制精度完全满足转自主控制的要求,有力保障了交会对接和样品转移的顺利完成。     

Fuel-optimal and Energy-optimal guidance schemes for lunar soft landing at a desired location

Two guidance schemes (i) fuel-optimal (ii) energy-optimal to realize soft landing at a desired location on the moon are developed using the optimal control laws. The optimal control laws are obtained by solving a two-point boundary value problem formulated based on Pontryagin’s principle. The guidance laws, adapted from the optimal control laws, are obtained as a function of unknown co-state variables. Differential Transformation (DT) technique is employed to determine the unknown co-states at each time instant of landing trajectory using the information on the current vehicle state, target landing site (loaded on-board apriori) and the time-to-go. The numerical integration of co-state dynamics is avoided due to the DT based approach. The time-to-go, a critical parameter for any guidance scheme, is computed and updated real time using a simple strategy which uses the current and end states. The simple strategy for time-to-go works well even when the shape of the trajectory is nonlinear. Extensive analysis is carried out to evaluate and compare the proposed guidance schemes. Further, the proposed schemes are compared with other popular guidance schemes. The DT based proposed schemes help quantify the landing masses for fuel-optimal and energy-optimal objectives. Other features of the proposed schemes are that they do not assume constant gravity field and independent of reference trajectory.