火星探测器动力下降段软着陆制导研究

【摘要】：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,出能够快速收敛且无抖振的基于多幂次趋近律和指数-变速趋近律的火星探测器着陆轨迹跟踪滑模制导律,可使得探测器完成对离线生成的燃料最优轨迹或参考轨迹的快速跟踪,显著减少在线计算量且保证合理的燃料消耗。给出此两种制导律下探测器跟踪标称轨迹所需的时间上界,并对其稳定性以及干扰存在下的鲁棒性进行理论分析。针对火星表面大气及阵风等未知干扰会影响探测器着陆精度甚至导致着陆任务失败的问题,出考虑环境不确定性的火星探测器自主精确着陆制导方案。在无需参考轨迹的情况下,分别研究终端时间给定的多滑模面着陆制导以及终端时间受限的固定时间着陆制导。针对基于固定时间的自主着陆制导方案预设时间保守性较大并且采用的符号项易引起震荡等问题,出一种实际固定时间稳定定理以及基于实际固定时间稳定定理的火星探测器自主精确着陆制导方案,给出在干扰上界已知情况下,探测器从任意初始位置着陆的最大落点偏差、最大终端速度以及最长着陆时间。针对火星表面地形复杂及传统制导律难以实现自主避碰等问题,出基于位置信息反馈和基于位置-速度信息反馈的ZEM/ZEV最优反馈制导律。针对传统ZEM/ZEV最优反馈制导律的性能指标函数只考虑能量消耗、未考虑碰撞规避的问题,在性能指标中加入探测器的高度分量并给出了开启避碰项判定条件,出考虑位置信息的自主碰撞规避制导律。进一步地,为保证近燃料最优性,在性能指标中引入带有与探测器高度有关的自调节项,出位置信息反馈的ZEM/ZEV最优反馈制导律。考虑到仅依据高度分量来判断是否开启避碰项会出现不必要的碰撞规避,进一步出同时考虑相对位置与相对速度的自主碰撞规避制导律。针对火星着陆任务中存在探测器位置、速度及最大推力等多种约束的问题,出基于模型预测控制的多约束火星探测器制导方案。进一步地,考虑到模型预测控制的预测性能依赖状态信息和模型信息,分别出基于快速收敛的速度观测器以及干扰观测器的模型预测控制制导方案,保证探测器的速度信息无法精确获取或系统存在未知干扰时的模型预测控制精度。所设计的制导方案可以使得探测器在线生成满足多约束条件的最优制导律并具备一定的鲁棒性,此外,由于减少了探测器所携带传感器的数量,使得探测器的有效载荷增加,更加适用于未来火星探测采样返回等需求下的科学任务。