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考虑导航误差的火星探测器动力下降段鲁棒轨迹优化

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中国科学:物理学力学天文学 2024年

作者：高多志龚有敏郭延宁李传江马广富哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院

针对火星探测器动力下降段过程中依赖的自主导航设备存在有界测量误差的问题,本文提出了一种基于凸优化的鲁棒轨迹优化算法.首先,对传统的基于凸优化的轨迹优化方法进行改进修正,建立基于序列凸优化的快速、精确求解方法.然后,分别对高... 详细信息

针对火星探测器动力下降段过程中依赖的自主导航设备存在有界测量误差的问题,本文提出了一种基于凸优化的鲁棒轨迹优化算法.首先,对传统的基于凸优化的轨迹优化方法进行改进修正,建立基于序列凸优化的快速、精确求解方法.然后,分别对高度、位置和速度存在导航误差的情况进行建模和分析,并给出不同情况对应的修正斜坡约束.接着,分别提出针对位置和速度误差的鲁棒轨迹求解算法.最后,通过仿真案例对提出的改进凸优化算法和鲁棒轨迹优化算法进行了验证,结果表明所得的解具有准确性和鲁棒性.

关键词：火星探测导航误差动力下降段凸优化鲁棒轨迹优化

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小行星软着陆动力下降段制导与控制方法研究

小行星软着陆动力下降段制导与控制方法研究

作者：李晓宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

小行星探测活动已经成为当今深空探测领域的热点,方兴未艾。探测形式也从早前的掠飞、环绕、撞击发展到现在的着陆以及采样返回,其中着陆探测甚至采样返回是获取科学研究数据的最理想途径。但因小行星质量轻、自旋、形状不规则及弱重力... 详细信息

小行星探测活动已经成为当今深空探测领域的热点,方兴未艾。探测形式也从早前的掠飞、环绕、撞击发展到现在的着陆以及采样返回,其中着陆探测甚至采样返回是获取科学研究数据的最理想途径。但因小行星质量轻、自旋、形状不规则及弱重力场等特殊的性质,为实现着陆目标,就要求着陆制导律具有较强的鲁棒性、自主性和较高的着陆精度。本文以小行星定点软着陆任务为背景,将在小行星重力场球谐系数问题研究的基础上,对小行星着陆探测器动力下降段的制导律进行研究和设计。首先,对小行星动力下降段轨道约束进行分析,并在小行星固连坐标系下建立动力下降段三维轨道动力学方程。为了实现不规则形状小行星重力场建模,深入研究了多面体模型法和球谐函数法两种建模方法。其次,深入研究小行星重力场球谐系数的计算和优化问题。为得到高精度的全球球谐系数,即传统意义上的球谐系数,对小行星多面体模型的划分形式、面数的选择、检验点选取方式进行讨论和分析。为建立小行星局部重力场模型,提出局部球谐系数概念,即在该局部空域内集中选取检验点计算得到的球谐系数,并构建一个新的性能指标对其有效性进行评估。然后,针对小行星着陆探测器动力下降段进行显式制导律设计。为实现着陆探测器安全准确地定点着陆,并考虑小行星动力学环境的不确定性和外界干扰,基于滑模变结构思想设计两种自主的、鲁棒的制导与控制方案:为实现定时着陆目标,对控制系统实现降阶处理,简化控制问题,设计多滑模制导律;为充分发挥执行机构的控制能力,实现快速着陆目标,保证滑模变量平滑变化,设计高阶滑模制导律。最后,针对小行星着陆探测器动力下降段进行标称轨道制导律设计。在规划了多项式形式的标称轨道的基础上,为保证着陆探测器快速跟踪上标称轨道的同时具有一定的抗干扰能力,含有尽可能少的制导律可调参数,本文设计一种解析表达且计算量小的非线性广义预测制导律。

关键词：小行星软着陆动力下降段球谐系数制导与控制

火星着陆器动力下降段燃料最优精确着陆轨迹计算与分析

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深空探测研究 2012年第4期10卷 1-7页

作者：郭延宁王强李传江哈尔滨工业大学控制科学与工程系上海卫星工程研究所

为了利用有限燃料成功完成火星精确着陆任务，本文研究了考虑各种约束的动力下降段燃料最优轨迹优化问题，并进而分析了最优轨迹的特点。针对变推力发动机情况，首先基于推力器幅值、火星地表碰撞、下降倾角等因素描述了动力下降段的燃... 详细信息

为了利用有限燃料成功完成火星精确着陆任务，本文研究了考虑各种约束的动力下降段燃料最优轨迹优化问题，并进而分析了最优轨迹的特点。针对变推力发动机情况，首先基于推力器幅值、火星地表碰撞、下降倾角等因素描述了动力下降段的燃料最优精确着陆问题，并给出了相应的等效最优化问题；接着将等效最优化问题进行离散化，并最终转换为考虑线性约束和二阶锥约束的最优化问题。最后，计算了典型着陆器燃料最优精确着陆轨迹。通过对轨迹分布的研究发现，最优轨迹可以分为S型和C型两种，且最终均收敛于与探测器初始条件相关的圆锥体内，该结论对于上注路径点的选取以及着陆器自主制导方案的选取都具有重要的参考价值。

关键词：火星探测精确着陆动力下降段制导律燃料最优

基于路径点优化的火星着陆器动力下降段反馈制导律研究

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基于路径点优化的火星着陆器动力下降段反馈制导律研究

火星着陆器动力下降段燃料最优精确着陆轨迹计算与分析

中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会

作者：郭延宁于彦波马广富哈尔滨工业大学航天学院控制科学与工程系

本文主要研究了火星着陆动力下降段考虑燃料消耗和障碍回避的反馈制导律设计问题。选取可变推力发动机作为执行机构,首先建立了着陆器在动力下降段的运动方程及质量变化方程;接着针对基于加速度平方积分的性能指标,推导了最优反馈制导律... 详细信息

本文主要研究了火星着陆动力下降段考虑燃料消耗和障碍回避的反馈制导律设计问题。选取可变推力发动机作为执行机构,首先建立了着陆器在动力下降段的运动方程及质量变化方程;接着针对基于加速度平方积分的性能指标,推导了最优反馈制导律,并通过引入零控位移偏差（ZEM）和零控速度偏差（ZEV）对其进行了简化。为了避免着陆过程与火星地表障碍撞击,提出了基于路径点优化的着陆策略,即通过离线优化确定关键路径点,相应的每一段均采取最优反馈制导律;其中为了提升路径点优化效率,设计了一种连续可导的近似饱和函数。最后,通过对比本文方案与燃料最优在典型着陆任务的数值仿真结果,进一步验证了该方案的有效性及优越性。

关键词：火星着陆动力下降段反馈制导律路径点优化

来源： cnki会议评论

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火星着陆器动力下降段燃料最优精确着陆轨迹计算与分析

中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会

作者：郭延宁王强李传江哈尔滨工业大学控制科学与工程系上海卫星工程研究所

为了利用有限燃料成功完成火星精确着陆任务,本文研究了考虑各种约束的动力下降段燃料最优轨迹优化问题,并进而分析了最优轨迹的特点。针对变推力发动机情况,首先基于推力器幅值、火星地表碰撞、下降倾角等因素描述了动力下降段的燃料... 详细信息

为了利用有限燃料成功完成火星精确着陆任务,本文研究了考虑各种约束的动力下降段燃料最优轨迹优化问题,并进而分析了最优轨迹的特点。针对变推力发动机情况,首先基于推力器幅值、火星地表碰撞、下降倾角等因素描述了动力下降段的燃料最优精确着陆问题,并给出了相应的等效最优化问题;接着将等效最优化问题进行离散化,并最终转换为考虑线性约束和二阶锥约束的最优化问题。最后,计算了典型着陆器燃料最优精确着陆轨迹。通过对轨迹分布的研究发现,最优轨迹可以分为S型和C型两种,且最终均收敛于与探测器初始条件相关的圆锥体内,该结论对于上注路径点的选取以及着陆器自主制导方案的选取都具有重要的参考价值。

关键词：火星探测精确着陆动力下降段制导律燃料最优

来源： cnki会议评论

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扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划方法

航空学报 2021年第11期42卷 156-169页

作者：邓云山夏元清孙中奇沈刚辉北京理工大学自动化学院北京100081 复杂系统智能控制与决策国家重点实验室北京100081

针对扰动环境下火星精确着陆动力下降段自主轨迹规划问题,在终端时间自由条件下,研究了基于序列凸优化方法的自主轨迹规划方法。首先,在终端自由情况下,建立初始状态无扰动轨迹预规划问题。其次,结合鲁棒Tube-MPC思想,针对线性反馈控制... 详细信息

针对扰动环境下火星精确着陆动力下降段自主轨迹规划问题,在终端时间自由条件下,研究了基于序列凸优化方法的自主轨迹规划方法。首先,在终端自由情况下,建立初始状态无扰动轨迹预规划问题。其次,结合鲁棒Tube-MPC思想,针对线性反馈控制律,建立扰动环境下着陆轨迹重规划问题,分析重规划问题的可行性,给出了预规划问题可行的必要性条件,为控制参数的选取提供参考,提出扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划框架。然后,针对终端自由问题,将飞行时域映射到单位时间,建立序列凸优化子问题,对子问题进行线性近似,使用序列凸优化方法进行求解并分析了收敛解的最优性。最后,进行数值仿真,验证扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划方法的有效性。

关键词：轨迹规划火星着陆动力下降段序列凸优化扰动环境终端时间自由

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基于动态规划的月面定点着陆快速制导方法

西北工业大学学报 2021年第1期39卷 159-166页

作者：赵弘骞代洪华党朝辉西北工业大学航天学院陕西西安710072 航天飞行动力学技术国家级重点实验室陕西西安710072

提出了一种面向月面紧急救援任务的多阶段轨道转移与定点着陆全程时间最优制导新方法。建立了包含4个阶段的月面紧急救援全程运动及动力学模型。在初轨转移段,设计了在月球非球形引力摄动下基于“预测+校正”的Lambert算法。在动力下降... 详细信息

提出了一种面向月面紧急救援任务的多阶段轨道转移与定点着陆全程时间最优制导新方法。建立了包含4个阶段的月面紧急救援全程运动及动力学模型。在初轨转移段,设计了在月球非球形引力摄动下基于“预测+校正”的Lambert算法。在动力下降段,利用哈密尔顿函数设计了一种可在轨实时应用的时间次优显式制导律。针对多阶段全局时间最优制导问题,通过对全程各段建立允许控制集,采用动态规划法得到了全程时间最优的制导律。仿真结果表明该方法相比于分段最优控制方法优化效果更好,全过程用时更短,对未来载人月球探测过程可能出现的月面紧急救援任务具有重要意义。

关键词：月面紧急救援 Lambert算法动力下降段动态规划法

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多约束火星精确着陆制导与控制律研究

多约束火星精确着陆制导与控制律研究

作者：王汀哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

火星探测是人类在深空探测过程中的热点,其中软着陆探测甚至采样后返回是最为理想的探测方式。在整个定点软着陆任务中,动力下降段的制导与控制是研究的重点。为保证安全高效地完成既定着陆任务,还需考虑诸如安全高度约束、推力幅值约... 详细信息

火星探测是人类在深空探测过程中的热点,其中软着陆探测甚至采样后返回是最为理想的探测方式。在整个定点软着陆任务中,动力下降段的制导与控制是研究的重点。为保证安全高效地完成既定着陆任务,还需考虑诸如安全高度约束、推力幅值约束等实际物理约束,而约束的引入对制导与控制系统提出了诸多的挑战。本文以国家“973计划”项目“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”为背景,在国内外已有成果的基础上,针对着陆器的动力学建模与约束分析、制导律与控制律设计、控制分配与位姿联合控制方面进行了深入研究。首先,定义着陆点固连坐标系和着陆器本体坐标系,基于牛顿定律和牛顿-欧拉法分别建立对应坐标系下的着陆器平动运动方程和转动运动方程,随后分析了着陆器在实际着陆过程中需要考虑的斜坡约束、姿态方向约束、推力幅值约束、安全高度约束和状态量幅值约束并进行建模。其次,针对着陆点固连坐标系下的平动运动方程,考虑着陆过程实际物理约束,设计基于模型预测控制的在线优化制导律。考虑实际工程需求,以模型预测控制算法得出结果为初始猜想值,设计基于模型预测静态规划的离线优化制导律,通过数值仿真分别验证了在两种制导律的作用下,着陆器均可在满足约束的条件下完成定点的软着陆任务。再次,针对着陆器本体坐标系下的转动运动方程,考虑着陆器轨控执行机构欠驱动且无推力矢量功能的特性,推力方向的改变需由姿控系统实现,根据模型预测控制算法得出的期望推力矢量解算出期望姿态欧拉角,设计基于PD控制的姿态跟踪控制律。为提高跟踪的速度和精度,设计基于非奇异终端滑模的姿态跟踪控制律,通过数值仿真分别验证了在两种控制律的作用下,着陆器实际姿态均可快速精确地跟踪期望姿态。最后,根据着陆器姿态控制系统执行机构的布局情况,将基于非奇异终端滑模的姿态跟踪控制律得出的期望控制力矩分配到各执行机构即姿态控制发动机中,转换为其推力幅值和开启时间。选取基于模型预测控制的在线优化制导律和基于非奇异终端滑模的姿态跟踪控制律作为着陆过程的制导控制律,以姿态环为内环、位置环为外环构成双闭环系统,进行六自由度位姿联合仿真。从仿真结果中可知,着陆器在存在初始偏差及大角度姿态机动时仍可快速精确跟踪期望姿态且可实时优化消除姿控时延带来的推力偏差,验证了制导控制律的正确性。

关键词：火星探测精确软着陆动力下降段多约束制导姿态跟踪控制控制分配

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卡尔曼滤波方法在火星着陆自主导航中的应用

卡尔曼滤波方法在火星着陆自主导航中的应用

作者：梁雨辰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着人类航天技术的发展,人们对宇宙空间和太阳系中其它星球的探索活动逐渐增多,尤其是对太阳系中的其他星球的探索日益引起人们的关注,在这些行星中,火星可以说是太阳系中和地球最相似的行星了,所以一直以来,人类对的火星的探测计划在... 详细信息

随着人类航天技术的发展,人们对宇宙空间和太阳系中其它星球的探索活动逐渐增多,尤其是对太阳系中的其他星球的探索日益引起人们的关注,在这些行星中,火星可以说是太阳系中和地球最相似的行星了,所以一直以来,人类对的火星的探测计划在整个对太阳系的探测计划中都是非常重要的一部分。因此在像火星这类具有丰富地貌的复杂区域进行精确着陆成为当前科学研究的一个迫切需要。这篇文章将对探测器对火星进行探测的登陆过程中的大气进入段以及动力下降段提出了一些可行的自主导航方案并对其进行了一些仿真模拟。首先,根据探测器在大气进入段和动力下降段的不同特点,对各阶段的动力学模型进行合理的简化给出适用于导航方案分析与设计的动力学模型及状态方程;根据大气进入段的特点,通过对现有技术条件的分析,建立在惯性导航系统的测量数据和卫星导航系统的测量数据共同作为外部观测量的导航方案,根据动力下降段的特点,根据敏感器的测量原理建立观测方程,设计导航滤波器及方案;针对大气进入段建立三种导航方案,应用UKF卡尔曼滤波设计滤波器,并且对该导航方案模型进行数学仿真,对比验证三种导航方案能否满足精度要求。根据其动力下降段的特点,应用EKF卡尔曼滤波设计滤波器,验证该导航方案能否达到动力下降段火星探测器的精度要求。

关键词：卡尔曼滤波自主导航大气进入段动力下降段精确着陆