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深空探测学报（中英文） 2023年第1期10卷 19-27页

作者：信思博徐亮赵训友郑艺裕马瑞上海卫星工程研究所上海200240 上海航天控制技术研究所上海200240

针对中国首次自主火星探测任务“天问一号”(Tianwen-1)的火星捕获制动期间点火姿态设计最优化问题,提出了整器约束条件下的分析思路和解决方法。首先建立捕获阶段的轨道动力学模型,根据捕获前轨道和捕获后的目标轨道以燃料消耗最少为... 详细信息

针对中国首次自主火星探测任务“天问一号”(Tianwen-1)的火星捕获制动期间点火姿态设计最优化问题,提出了整器约束条件下的分析思路和解决方法。首先建立捕获阶段的轨道动力学模型,根据捕获前轨道和捕获后的目标轨道以燃料消耗最少为优化目标,使用牛顿迭代法寻优解出轨道平面内最佳的推力方向和点火时刻,得到推力矢量。再结合探测器的光照、测控约束条件,确定了绕推力方向的偏转范围。最后参考星敏感器布局,对全过程不同偏转角度下星敏受天体遮挡情况进行分析,计算出星敏可用台数以及可用时长,按照可用时长最优的原则确定出最优的点火姿态。在轨实际制动捕获结果表明,轨控后半长轴偏差小于947.122 km(半长轴变化量102346.152 km),偏心率偏差小于0.0021,同时全程满足整器测控、光照的需求,捕获全过程中保持任意时刻至少有2台星敏可用,根据遥测结果对比星敏的可用时段仿真误差小于0.225 h。

关键词：火星探测器制动捕获点火姿态

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火星探测器制动捕获策略研究

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深空探测学报 2020年第2期7卷 178-183页

作者：王靓玥郭延宁马广富哈尔滨工业大学哈尔滨 150001

针对火星探测器制动捕获问题进行研究,通过对火星探测器捕获问题的动力学建模、典型工况数值仿真,对3种典型的直接捕获策略:定向捕获、匀速捕获、变速捕获进行比较、分析,系统地总结了3种捕获策略的优缺点,得到变速捕获推力器燃料消耗低... 详细信息

针对火星探测器制动捕获问题进行研究,通过对火星探测器捕获问题的动力学建模、典型工况数值仿真,对3种典型的直接捕获策略:定向捕获、匀速捕获、变速捕获进行比较、分析,系统地总结了3种捕获策略的优缺点,得到变速捕获推力器燃料消耗低,但需要实时速度信息等结论。进一步地,通过数值分析点火时刻对制动捕获效果的影响,发现探测器最优点火时刻为到达近火点前制动耗时一半左右所对应的时刻。为实现特定捕获过渡轨道,设计了基于ZEM/ZEV闭环制导的捕获策略。通过与变速捕获对比表明:所设计捕获策略的制动效果与变速捕获相当,且能满足特定的末端位置/速度约束,可为实际任务提供一种备选方案。

关键词：火星探测制动捕获最优点火时刻 ZEV ZEM/ZEV

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火星探测制动捕获高精度控制技术研究

火星探测制动捕获高精度控制技术研究

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作者：马瑞上海交通大学

学位级别：硕士

随着航天技术的不断发展,人类对于更远的宇宙探索越来越有兴趣,各航天强国都在积极开展深空探测任务,火星作为地球的近邻,成为人类探索宇宙的重点任务。火星作为一颗距离地球较近的行星,其表面气候特点以及其他特征与地球有很多共同之... 详细信息

随着航天技术的不断发展,人类对于更远的宇宙探索越来越有兴趣,各航天强国都在积极开展深空探测任务,火星作为地球的近邻,成为人类探索宇宙的重点任务。火星作为一颗距离地球较近的行星,其表面气候特点以及其他特征与地球有很多共同之处。对火星探测技术的研究一方面可以促进人类的脚步向更深的宇宙空间迈进,另一方面可以帮助人类更清楚地了解地球的演化,从而揭开宇宙起源的奥秘。我国首次火星探测任务已立项实施,对于火星探测任务,面临的主要问题包括器地通信延时大、地面测控精度低、在轨关键过程自主管理性能要求高等。特别是火星探测制动捕获过程,该过程具有“唯一性”的特点,制动时间短则造成探测器飞越火星,制动时间长则造成与火星相撞,因此提高制动捕获的高可靠性是火星探测任务的重点,火星探测高精度制动捕获控制是火星探测关键的核心技术。影响制动捕获精度的因素有很多,本文主要从制动捕获控制策略和姿态轨道联合控制进行设计分析。进而引出火星探测自主导航、制动捕获策略的智能优化及高精度闭环反馈轨道控制三个关键技术约束。针对制动捕获策略优化的前提条件——高精度的轨道确定,提出基于光学导航敏感器测量行星方位及视距的自主导航策略,并依据轨道确定精度需求,提出了敏感器的技术指标。针对制动捕获策略优化的主要手段——智能优化搜索算法,提出了基于“粒子群”的火星制动捕获寻优算法,针对惯性定向控制、匀角速率控制及沿迹反方向控制策略进行分析,综合考虑姿态控制精度、轨道递推精度及能耗最优等因素,选择匀角速率控制方法。针对制动捕获策略的实施保障——大推力器作用下的固液柔航天器控制,考虑轨道控制精度及工程实施的可靠性需求,姿态控制采用常规PID控制器,对喷气输出采用停喷处理,进而抑制由于液体晃动、天线及太阳翼柔性振动引起的姿态失稳,轨道控制区别于近地卫星的地面遥控开环实施手段,采用加速度计测量引入,实时修正轨控策略的方法。综上所述,本论文从工程应用角度提出自主导航+闭环姿轨耦合控制技术,解决制动捕获过程地面测控精度低、延时大及自主性低的问题,实现高精度的自主制动捕获控制。论文首先讨论了深空探测自主导航的应用性能,分析了基于行星光学测量的自主导航原理,详细阐述了自主导航的处理过程;进而基于自主导航确定的轨道设计了制动捕获控制策略的搜索优化算法,确定了最终的制动捕获控制策略;在此基础上,考虑推力器误差、液体晃动、挠性干扰等影响,提出了基于加表测量反馈的闭环姿轨耦合高精度控制技术,提高了制动捕获控制精度及安全性。

关键词：火星探测制动捕获自主导航优化算法加表反馈闭环姿轨耦合

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火星探测器制动捕获多目标优化策略

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动力学与控制学报 2019年第4期17卷 356-361页

作者：刘博王云财张松涛韩柠国防科技大学空天科学学院长沙410073 北京控制与电子技术研究所北京100038

本文提出了一种基于动态加权算法的火星探测器制动捕获多目标优化策略,该策略在火星探测器制动捕获过程中同时考虑制动目标轨道精度和燃料消耗,相对于传统的捕获策略,具有同等运算量下更易收敛到最优解的优势.本文以制动推力方向沿火星... 详细信息

本文提出了一种基于动态加权算法的火星探测器制动捕获多目标优化策略,该策略在火星探测器制动捕获过程中同时考虑制动目标轨道精度和燃料消耗,相对于传统的捕获策略,具有同等运算量下更易收敛到最优解的优势.本文以制动推力方向沿火星探测器速度反向的制动捕获方法为例,首先,描述了有限推力下火星探测器的制动捕获问题,然后,针对优化模型的非线性动态耦合特性,研究了基于自适应参数调整的动态PSO算法,最后,应用动态PSO算法和动态加权算法,设计了火星探测器制动捕获多目标优化策略.仿真分析表明,相比于传统的单目标优化策略,本文设计的火星探测器制动捕获多目标优化策略,不仅能够满足精度要求,而且更容易得到燃料相对最优值,减少燃料消耗.因此具有一定的研究和应用价值.

关键词：多目标优化动态加权自适应粒子群火星探测制动捕获

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