基于光学信息的行星自主着陆鲁棒估计与制导方法研究

【摘要】：行星表面精确着陆是深空探测中最具挑战性的任务之一，探测器的导航与制导控制水平直接决定了着陆任务的成功与否。传统的基于航位推算的行星着陆导航与制导控制方式无法满足未来行星着陆任务对着陆精度的要求，因此设计合理的导航与制导控制系统，发展新一代基于光学测量的行星自主着陆导航与制导控制方法，提高行星着陆器的功能和性能是行星着陆探测技术研究的重心。 本学位论文结合863重大项目“小行星附着仿真演示系统”、国家自然科学基金项目“深空探测自主导航理论与方法研究”和科技部973项目“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”，针对行星着陆光学导航的特点，从状态估计方法与制导控制策略两方面出发，对行星精确着陆任务中基于光学测量的导航与制导控制方法进行了深入系统的研究。论文的主要研究内容包括： 首先，对行星着陆光学测量相对导航方式与鲁棒估计方法进行了研究。结合目前行星着陆主要导航方式的特点，重点对行星着陆光学测量相对导航存在的问题和不足进行了分析，给出了行星着陆光学测量辅助的惯性导航方案。在此基础上，考虑光学/惯性组合导航系统中存在的光学测量噪声非高斯分布特性以及初始状态不确定性因素，发展了基于H∞的鲁棒导航估计算法，引入LQ对策思想，构建估计准则使干扰输入引起的最大估计误差最小化。为了兼顾导航估计精度与鲁棒性能的协调问题，进而提出了一种混合鲁棒状态估计方法，对行星着陆导航估计算法进行了改进。 其次，对行星着陆光学导航观测轨迹随机优化方法进行了研究。考虑着陆过程中光学导航特征信息不足所带来的系统可观测性降低问题，对基于光学导航信息的着陆制导问题的特点进行了分析。针对非线性光学导航系统可观性对探测器状态轨迹的依赖特性，提出了以优化状态可观性为目的的下降观测轨迹随机优化制导方法。利用非线性光学导航系统可观测性与探测器下降状态轨迹间存在着的非线性耦合关系，分别通过引入附加控制输入和扩展状态空间的方法，将导航系统估计性能引入行星着陆观测轨迹规划的过程中，同时考虑有效控制与可靠估计间的对偶问题，合理规划着陆下降轨迹，优化行星着陆器导航与制导控制系统的整体性能。 接着，对行星着陆任务多约束轨迹快速规划方法进行了研究。对行星着陆任务中存在的各种运动及控制约束条件进行了分析，考虑传统多项式轨迹规划方法在燃耗优化以及满足任务约束等方面存在的不足以及行星着陆任务实时性、自主性的要求，利用凸优化方法将具有控制约束与轨迹状态约束的非线性动力学路径规划问题转化为以优化燃耗为性能指标的二阶圆锥规划问题，使高复杂度的非线性规划问题得到高效求解。同时引入模型预测控制框架，提出了一种基于滚动优化的凸规划制导控制策略，进一步将非线性动力学路径规划问题转化为在单个控制周期易于求解的凸规划问题，实现该算法在行星着陆过程中的实时星载计算构架。 然后，对行星着陆轨迹鲁棒跟踪控制方法进行了研究。着重行星着陆段动力学环境复杂不确定等特点，针对天体引力模型误差与外界干扰不确定性对轨迹跟踪的影响，设计了行星着陆自适应鲁棒轨迹跟踪方法。分别从引力模型参数不确定性与系统未建模不确定性两方面出发，通过引入在线估计未知天体引力参数设计自适应轨迹跟踪控制器，在此基础上，放宽假设约束条件，给出了基于模型不确定性界的鲁棒反馈控制律，确保实际状态轨迹与开环设计轨迹的偏离量不超过期望界。 最后，在上述研究成果基础上，对行星着陆自主导航与制导控制系统的功能进行了深入分析，给出了基于部分实物系统与与仿真原理样机共同构建的联合半实物仿真平台构架，并对总体方案进行了设计。在此基础上，基于星上多任务调度的特点，提出了行星着陆探测器自主导航与制导控制星载体系结构，并利用所搭建的半实物仿真系统对导航与制导控制方法进行了综合性仿真验证。