载人月面着陆地形障碍探测与规避方案研究

月面地形障碍是影响载人着陆安全的关键因素之一,可能引起着陆器倾斜、结构损坏甚至倾覆。载人月面着陆除在总体任务规划时要选取平坦安全的着陆区外,还要进行实时在线的地形探测和障碍规避。文章对“阿波罗”计划和“星座”计划中的月面着陆飞行方案和飞行器进行调研,分析了载人月面着陆避障的任务要求和技术特点;结合着陆飞行任务,提出考虑避障的飞行方案,分为高速运动中的粗避障和接近悬停后的精避障两个阶段;考虑月面着陆飞行状态以及光照、月尘等外部环境,设计载人月面着陆时由激光高度计、多普勒激光雷达以及闪光激光雷达组成避障敏感器系统;提出载人避障机动方案,采用接近段中制导目标调整、机动段六自由度控制以及缓速下降段滚动姿态机动等方法,并引入了航天员目测以检查月面地形障碍、选择月面着陆点以及手控进行终端避障机动控制。     

嫦娥三号动力落月段轨迹确定策略

针对CE-3（嫦娥三号）月球探测器动力下降弧段,特别是悬停避障段频繁机动的特点,提出了采用B样条函数逼近方法进行落月轨迹确定.仿真分析表明：在动力下降运动较平滑弧段,B样条逼近法计算结果略优于多项式拟合法;而在频繁机动弧段,B样条逼近法有明显优势.计算结果表明,加入VLBI（Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量）数据后能有效提高落月轨迹确定精度,在没有系统误差的情况下联合定位后位置精度优于50 m.此外,还分析了三向测量系统差对定位的影响,可对CE 3任务提供参考.最后对CE 3实测数据进行处理,动力落月段末点位置和着陆器定位计算值相差不到200 m.     

海上夜间飞行的实时仿真

自然场景仿真是虚拟现实技术的重要部分,夜间海上飞行时,星空、月亮以及海面的倒影是独具特色的自然场景.为营造沉浸感强的夜海飞行虚拟现实系统,用粒子系统实现了星空的模拟,将星体动态闪烁现象演化为粒子生命的概念,并按照主导算法加扰动的思想实现星空随机性模拟;用特殊纹理融合算法模拟月亮及星月在海面的镜像,特殊纹理经过制作、着色和融合3个过程,并根据夜空景像在海面倒影的亮度衰减规律确定融合因子,将纹理和背景按照融合因子进行深度融合;最终实现了较逼真的夜海飞行虚拟现实系统.      

约束条件下垂直着月窗口设计

用双二体模型和最新的星历表数据,给出了奔月过程中的光照、测控和轨道运动学等约束条件下月球探测器通过停泊轨道中转垂直着月的窗口,以及停泊轨道和地月转移轨道的运动学参数的确定方法,并进行了仿真计算。分析表明,该方法可快速计算探测器发射窗口,为精确轨道设计的搜索提供初始条件。     

载人地月混合轨道一次脉冲应急返回轨道分析

对于载人地月转移任务，应急返回轨道是航天员安全返回地球的保障。针对载人混合轨道地月转移对安全性要求高的特点，基于载人地月混合轨道，提出了3种一次脉冲的应急返回轨道，即直接返回、即刻机动绕月返回及绕月后机动返回等模式。研究了不同时刻发生故障后，利用3种应急模式返回地球的转移时间和速度增量等特性，研究了载人地月转移全过程出现故障后的应急方式，总结了3种应急模式的应用特点及优劣，可为载人月球探测任务顶层任务分析与设计提供参考。     

γ源辐射角度对光子高度计性能的影响分析

为了研究分析月球环境下γ光子高度计源辐射角度对其性能的影响,文章建立了月球着陆器简化模型,利用基于蒙特卡罗方法的粒子输运程序（MCNP）软件仿真计算了接收处理器捕获的光子计数随γ源辐射角度的变化规律。仿真结果表明：辐射角度小于一定值时,光子计数随着辐射角度的增大近似呈线性增长;当γ源辐射角度增大到一定值时,光子计数基本不再有变化。文章的分析方法和结果可以为合理确定γ光子高度计源辐射角度提供设计参考。     

月球重力场及低轨环月卫星轨道保持仿真分析

为了在满足精度要求的前提下节省月球重力场模型的计算时间,依据Kaula准则分析了目前国际上公认的最精确的两个重力场模型GLGM-2和LP165P,提出了在一定阶次截断重力场模型的问题.通过仿真不同阶次重力场模型作用下轨道高度为50 km的圆形极轨道环月卫星轨道特征的变化,验证了50 km以上高度卫星非球形摄动分析时可以将重力场模型截断至一定阶次的结论,并利用截断至70阶次的重力场模型仿真分析200 km圆轨道卫星一年内轨道下降程度.最后在仿真结果的基础上得到了200 km高度环月卫星需要每50天进行一次轨道保持控制的结论并完成一次轨道保持控制仿真.研究结论可以为我国低轨环月卫星轨道保持提供参考.     

绕月探测器的自主光学导航研究

提出了一种利用高斯-马尔科夫过程和Unscented卡尔曼滤波的绕月探测器自主光学导航算法。针对很难事先确定精确地绕月探测器轨道动力学模型问题,提出利用高斯-马尔科夫过程来近似轨道动力学中的无模型加速度,进而提高了轨道动力学模型的精度;考虑到基于扩展卡尔曼滤波的轨道确定存在的问题,提出利用基于Unscented卡尔曼滤波来估计探测器的位置、速度及无模型加速度,提高了轨道估计精度和保证了算法的稳定性。最后,通过数学仿真验证了自主光学导航算法的有效性。     

“嫦娥三号”着陆缓冲机构的研究成果及其应用

“嫦娥三号”着陆器于2013年12月14日通过着陆缓冲机构在月面稳定着陆,表明中国已经突破并掌握了地外天体表面着陆缓冲技术,包括适合地外星体表面环境的缓冲方法、着陆缓冲机构设计方法和地面试验验证方法等。文章介绍了着陆缓冲方法的基本要求,对铝蜂窝缓冲特点进行了研究,提出了着陆缓冲机构关键几何参数确定及缓冲能力设计方法。此外,文章还介绍了着陆缓冲机构地面试验的主要验证项目和验证方案。这些研究成果不仅可以应用到未来火星等目标星体的着陆缓冲,而且在民用技术如桥梁的撞击防护、电梯抗坠毁及爆炸防护等领域中也具有十分广阔的应用前景。了解这些研究成果对于后续深空软着陆探测及相关民用技术的发展具有重要的意义。