深空探测先进电源技术综述

先进电源技术是保障深空探测任务顺利进行的前提和基础。在梳理我国后续深空探测任务(月球极区探测、小天体探测、火星探测、木星探测等)对电源系统需求的基础上,对涉及空间应用的电源技术(化学能、太阳能、同位素及空间核反应堆电源)进行概述;针对深空探测对电源系统的需求特点,分别阐述了锂离子蓄电池、太阳能电源、钚-238放射性同位素电源和空间堆核反应电源的特点、发展简史、在深空探测中应用限制及发展建议,重点分析了钚-238同位素电源和空间核反应堆电源技术的关键技术、应用情况及应用前景,为深空探测先进电源技术的长足发展提供参考。     

我国深空探测任务电源系统发展需求

针对我国后续月球极区探测、小天体探测、火星探测、木星系探测深空探测重点任务,在梳理分析每个探测任务约束的基础上,提出电源系统的具体需求;对上述4个方向的深空探测任务的电源系统需求进行归纳总结,提出我国后续深空探测任务的电源系统主要发展建议,具体包括宽温度和光强适应性、抗辐照的太阳电池阵,轻小型智能化的电源控制装置,高功率密度的电源系统MPPT拓扑;最后对同位素温差发电技术进行了发展展望,为后续深空探测电源系统研究和设计提供参考。     

藏匿在冯·卡门坑南部下方的月球质量瘤

月球着陆探测的候选着陆区域的质量异常分布,预示着对应区域发生过复杂的动力学演化过程,存在着异常丰富的物质组成。对月球的质量异常分布或重力场异常的探测是基于绕月卫星重力探测方法获取的,结合“嫦娥1号”月球探测获得的月球重力场异常模型与地形探测模型的数据,分析揭示存在于月球背面的质量瘤区域,研究结果表明：使用多次任务的数据首次证认了一个位于中尺度撞击区域,冯·卡门（Von Kármán）撞击坑的南半部和边缘的正下部的质量瘤,暂定编号CEFC04,冯·卡门撞击坑是该区域形成后,又一次大型撞击产生的。这类显著的被藏匿的中尺度月球质量瘤的发现,对探测研究月球的演化有重要意义。     

中国深空测控系统建设与技术发展

我国深空测控系统是伴随着探月工程“绕”“落”“回”三步走战略的实施,从突破关键技术、初步建成系统到系统完善,逐步建立起来的,火星探测工程的实施将进一步带动深空测控系统能力的建设。站在历史的视角,从顶层设计、关键技术攻关和系统建设等方面,回顾了我国深空测控系统从无到有的发展历程,并结合未来深空测控技术的发展,对我国深空测控系统的发展前景进行了展望。     

有大气行星悬飞探测初步设想与可行性探讨

提出了一种有大气地外行星悬飞探测方式,该探测方式是利用被探测天体存在大气的环境特点,实现探测器在被测天体的"飞行"机动,克服目前已有的环绕探测、着陆探测、巡视探测和采样返回探测四类无人深空探测方式受地形、地貌约束无法实现大范围机动就位探测的不足。提出了悬飞探测器的典型任务工作模式设想,建立了悬飞探测器的六自由度动力学模型,并针对太阳系内典型的有大气行星环境(火星和土卫六)特点,给出了悬飞探测器的动力学特性并开展了仿真分析。在此基础上,首次提出了悬飞探测器的可行性约束系数,为悬飞探测器在深空探测的可行性研究提供了理论依据。     

火星探测高分辨率可见光相机光学系统设计

详细规划了首次火星探测有效载荷高分辨率可见光相机光学系统设计方案。阐述了火星探测高分相机的科学意义以及国外火星高分相机的发展趋势。据此对光学系统的选型进行了分析,从应用优势角度选择了COOK式离轴三反系统完成光学系统设计,光学系统焦距为4 600 mm,相机对孔径1:12,实现分辨率优于0.6 m@300 km,视场角优于2°的光学系统。从工程可实现性角度,完成了相机离轴非球面反射镜检测补偿器的设计。该光学系统可保证火星高分相机指标居国际领先水平。     

一种基于方差的自适应火星图像阈值选取算法

在基于光学成像的深空探测自主导航中,图像边缘处理直接影响视线矢量的提取,从而对自主导航的精度产生较大影响。传统的Otsu算法更侧重同区域灰度的均匀性,适用于图像中目标区域和背景区域面积相差不大的情况,因此在自主导航初始阶段,导航精度较低。根据深空探测巡航段拍摄到的火星图像的特点,基于已有火星探测任务的实拍图像,在Otsu算法的基础上,重新设计准则函数,提出了一种基于方差的火星图像阈值自适应选取算法。该算法将灰度值高于待定阈值的区域的方差表示为待定阈值的函数,以函数一阶微分的最大值对应的灰度值作为最优阈值。该方法具有计算量小、图像分割精确的优点。仿真结果表明,相较于传统的Otsu算法,通过该算法得到的图像阈值能够实现更高的视线矢量提取精度及自主导航精度。     

月球软着陆的二次型最优制导方法

为实现在月球表面指定区域的精确软着陆,研究了月球软着陆的线性二次型最优制导方法。利用简化的轨道动力学模型,给出了一种基于状态和能耗最优的软着陆二次型制导方法。由于制导律要求同时提供3个方向的时变推力,所以需要通过变推力发动机和姿态机动来实现。该制导方法虽能满足精确软着陆的需要,但对姿态变化的要求超出了着陆器姿态机动能力。因此,本文修正了二次型最优制导方法,取消了对轨道参数的过程约束,仅对其终端进行约束,通过求解着陆指定目标点的能耗最优两点边值问题,得到了发动机推力大小和方向的显式表达式。研究结果表明,利用一定的姿态机动能力,修正的制导方法能够满足精确软着陆的需要。     

登月飞行器软着陆的非线性最优控制

主要考虑登月飞行器软着陆控制的问题。制导律和控制器的设计分两步完成。首先，利用一个微分同胚变换和一个非线性输入补偿，可以将登月飞行器的非线性动态模型转换成一个线性系统。然后利用经典最优控制理论中的由拉方程，标准最优制导律的解析解既可给出。第二步，利用日。控制理论，我们设计了一个最优反馈控制器保证了实际系统可以鲁棒渐进追踪最优标准轨道。最后通过仿真，可以看出飞行器实现了软着陆控制，着月速度小于给定值，说明方法的可行性和有效性。     

用于月球软着陆最优轨迹跟踪制导过程的模糊神经网络控制方法

软着陆过程的制导控制已经成为月球探测中一个具有挑战性的问题。神经网络与模糊逻辑都是处理不确定性(受控对象缺乏精确的数学描述或具有非线性的复杂性)问题的有效手段。本文根据终端着陆条件和性能指标,以由Pontryagin’s极大值原理得出从近月点到月球表面的最优着陆轨迹为基础,给出一种基于模糊神经网络的非线性最优控制策略,使被控系统能够通过模糊神经网络的非线性映射能力实现某种最优的闭环制导控制。最后通过数学仿真验证了该控制策略的可行性与有效性。