火星探测器动力下降段软着陆制导研究
发布时间：2021-10-10 08:37
随着人类对宇宙探索的不断深入,世界多国开展了多项不同种类的深空探测活动,其中,对火星的探测已成为科研任务及学术研究的热点并已进入一个任务量大、层次逐步深入的阶段。火星探测器的软着陆是人类开展火星探测最重要的形式之一,也是采样返回及未来载人登火等任务的重要基础。在着陆任务中,动力下降段作为着陆过程的最后阶段直接决定着着陆任务的成败。在动力下降阶段,探测器采用反推发动机进行减速制动,而其所面临的火星未知大气影响、火星表面地形复杂以及所携带燃料有限等因素都对探测器的制导方法出了严格的要求。针对火星表面存在环境不确定性、动力下降段任务要求的时间较短、火星表面地形复杂并且地球与火星之间漫长的距离造成的通信延时较大等问题,本文对火星探测器动力下降段精确制导问题展开研究,主要内容包括以下几个方面:为实现燃料消耗尽可能少的火星着陆任务,给出考虑多种约束的燃料最优轨迹优化方法,该方法在标称模型下可以实现着陆过程中的燃料最优,但计算量较大,并且在系统存在模型不确定性或环境不确定性等情况下,开环规划的标称轨迹不能保证燃料消耗的最优性,甚至可能导致任务失败。针对燃料最优轨迹在线优化计算量大且难以在轨应用的问题...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
MSL着陆示意图
(Entry、Descent and Landing, EDL)及个阶段[6]，如图1-2所示。接近段起：最后一次轨道机动至：进入火星大气超声速进入段起：进入火星大气至：降落伞打开超声速进入段起：进入火星大气至：降落伞打开动力下降段起：开启反推发动机至：成功登陆火星约125km约6~20km约2~5km图1-2 典型的火星EDL过程Fig. 1-2 Typical EDL process of Mars landing mission动力下降段作为着陆过程的最后阶段直接影响了最终的着陆精度。在动力下降段，探测器采用反推发动机进行减速制动直至成功登陆火星。动力下降段的任务已经由硬着陆发展为现阶段的软着陆。为实现软着陆，美国在Viking系列探测器的发射中采用了反推发动机的方法，使得探测器在着陆前进行迅速的减速制动，但是该方法在当时硬件精度较低的情况下并没有完全发挥优势。随后，美国的“勇气”号和“机遇”号均采用了充气气囊进行缓冲，以此来完成软着陆。但是，充气气囊在着陆时产生的剧烈震动会损坏仪器，未来发射携带精密仪器探测器的任务并不适用此方法[7]。火星科学实验室(MSL)这一项目采用了空中吊车的方法完成软着陆任务[8]，通过缆绳将火星车与携带者连接，这种方式能够保证火星车在崎岖的表面完成软着陆[9]
其状态收敛过程可以总结为如图5-13 所示的曲线。1x2x1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x图 5-13 超螺旋滑模观测器的收敛曲线Fig. 5-13 Convergence trajectories of super twisting sliding mode observer当1x 0时，系统状态按照式(5-37)所示收敛，当1x 0时，系统状态按照式(5-38)所示收敛。1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x(5-37)
【参考文献】：
期刊论文
[1]输入饱和受限下的刚体飞行器姿态系统的有限时间镇定[J]. 程盈盈,都海波,何怡刚. 控制与决策. 2015(08)
[2]月球软着陆过程高精度自主导航避障方法[J]. 王大轶,李骥,黄翔宇,张洪华. 深空探测学报. 2014(01)
[3]火星精确着陆制导问题分析与展望[J]. 崔平远,胡海静,朱圣英. 宇航学报. 2014(03)
[4]基于新型终端滑模的航天器执行器故障容错姿态控制[J]. 胡庆雷,姜博严,石忠. 航空学报. 2014(01)
[5]火星进入段自主导航技术研究现状与展望[J]. 崔平远,于正湜,朱圣英. 宇航学报. 2013(04)
[6]一种新型滑模控制双幂次趋近律[J]. 张合新,范金锁,孟飞,黄金峰. 控制与决策. 2013(02)
[7]“火星科学实验室”EDL方案及其新技术分析[J]. 鲁媛媛,荣伟,吴世通. 航天器工程. 2012(05)
[8]基于Gauss伪谱法和直接打靶法结合的月球定点着陆轨道优化[J]. 彭祺擘,李海阳,沈红新,唐国金. 国防科技大学学报. 2012(02)
[9]月球精确软着陆最优标称轨迹在轨制导方法[J]. 梁栋,刘良栋,何英姿. 中国空间科学技术. 2011(06)
[10]美国火星表面探测使命述评(下)[J]. 朱仁璋,王鸿芳,泉浩芳,陈晓锦,赵刚. 航天器工程. 2010(03)
博士论文
[1]基于光学信息的行星自主着陆鲁棒估计与制导方法研究[D]. 高艾.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]火星表面障碍识别与规避方法研究[D]. 董士波.哈尔滨工业大学 2013
[2]深空探测器软着陆制导与控制方法研究[D]. 于文进.哈尔滨工业大学 2012
[3]月球软着陆障碍检测与规避控制方法研究[D]. 冯军华.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3428031
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
MSL着陆示意图
(Entry、Descent and Landing, EDL)及个阶段[6]，如图1-2所示。接近段起：最后一次轨道机动至：进入火星大气超声速进入段起：进入火星大气至：降落伞打开超声速进入段起：进入火星大气至：降落伞打开动力下降段起：开启反推发动机至：成功登陆火星约125km约6~20km约2~5km图1-2 典型的火星EDL过程Fig. 1-2 Typical EDL process of Mars landing mission动力下降段作为着陆过程的最后阶段直接影响了最终的着陆精度。在动力下降段，探测器采用反推发动机进行减速制动直至成功登陆火星。动力下降段的任务已经由硬着陆发展为现阶段的软着陆。为实现软着陆，美国在Viking系列探测器的发射中采用了反推发动机的方法，使得探测器在着陆前进行迅速的减速制动，但是该方法在当时硬件精度较低的情况下并没有完全发挥优势。随后，美国的“勇气”号和“机遇”号均采用了充气气囊进行缓冲，以此来完成软着陆。但是，充气气囊在着陆时产生的剧烈震动会损坏仪器，未来发射携带精密仪器探测器的任务并不适用此方法[7]。火星科学实验室(MSL)这一项目采用了空中吊车的方法完成软着陆任务[8]，通过缆绳将火星车与携带者连接，这种方式能够保证火星车在崎岖的表面完成软着陆[9]
其状态收敛过程可以总结为如图5-13 所示的曲线。1x2x1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x图 5-13 超螺旋滑模观测器的收敛曲线Fig. 5-13 Convergence trajectories of super twisting sliding mode observer当1x 0时，系统状态按照式(5-37)所示收敛，当1x 0时，系统状态按照式(5-38)所示收敛。1 2 12 1 2 2, , x x xx F x x x(5-37)
【参考文献】：
期刊论文
[1]输入饱和受限下的刚体飞行器姿态系统的有限时间镇定[J]. 程盈盈,都海波,何怡刚. 控制与决策. 2015(08)
[2]月球软着陆过程高精度自主导航避障方法[J]. 王大轶,李骥,黄翔宇,张洪华. 深空探测学报. 2014(01)
[3]火星精确着陆制导问题分析与展望[J]. 崔平远,胡海静,朱圣英. 宇航学报. 2014(03)
[4]基于新型终端滑模的航天器执行器故障容错姿态控制[J]. 胡庆雷,姜博严,石忠. 航空学报. 2014(01)
[5]火星进入段自主导航技术研究现状与展望[J]. 崔平远,于正湜,朱圣英. 宇航学报. 2013(04)
[6]一种新型滑模控制双幂次趋近律[J]. 张合新,范金锁,孟飞,黄金峰. 控制与决策. 2013(02)
[7]“火星科学实验室”EDL方案及其新技术分析[J]. 鲁媛媛,荣伟,吴世通. 航天器工程. 2012(05)
[8]基于Gauss伪谱法和直接打靶法结合的月球定点着陆轨道优化[J]. 彭祺擘,李海阳,沈红新,唐国金. 国防科技大学学报. 2012(02)
[9]月球精确软着陆最优标称轨迹在轨制导方法[J]. 梁栋,刘良栋,何英姿. 中国空间科学技术. 2011(06)
[10]美国火星表面探测使命述评(下)[J]. 朱仁璋,王鸿芳,泉浩芳,陈晓锦,赵刚. 航天器工程. 2010(03)
博士论文
[1]基于光学信息的行星自主着陆鲁棒估计与制导方法研究[D]. 高艾.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]火星表面障碍识别与规避方法研究[D]. 董士波.哈尔滨工业大学 2013
[2]深空探测器软着陆制导与控制方法研究[D]. 于文进.哈尔滨工业大学 2012
[3]月球软着陆障碍检测与规避控制方法研究[D]. 冯军华.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3428031
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