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1、动力下降段与着陆段当探测器下降到距离小行星一定高度时探测器进入动力下降段，动力下降段是主推力制动发动机与小推力制动发动机同时工作的全推力制动过程，主要目的是减少探测器水平方向分量、调整探测器的姿态；当探测器飞行距离小行星几千米高度时进入着陆段，着陆段由小推力制动发动机工作半推力制动，主要调整探测器姿态，保证在最终几百米高度时进入垂直下降 37。最终着陆段。当探测器飞行距离小行星几千米高度时进入着陆段，着陆段由小推力制动发动机工作半推力制动，主要调整探测器姿态，保证在最终几百米高度时进入垂直下降 37。同时对着陆地点进行障碍检测，当着陆点不满足要求时，及时实行规避机动，避免危险的发生。软着陆过程
2、分为以下 5 个阶段：1) 主减速段。该段的主要任务是消除较大的初始水平速度。 根据导航结果，按照一定的制导律控制着陆器的轨道和姿态，使着陆器速度减小到预定值并到达期望的着陆区域上空。2) 调姿下降段。根据导航结果，按照一定的制导律控制着陆器的轨道和姿态，使着陆器到达预定高度的速度接近于零，姿态接近垂直向下，且保证太阳帆板指向预定方向。3) 悬停避障段。 该段的主要任务是姿轨控发动机工作使得着陆器处于悬停状态，成像敏感器对着陆区域成像，GNC 选择安全着陆区域; 然后，通过水平和垂向控制使着陆器平移下降至所选着陆区域上方预定高度。4) 缓速下降段. 该段的主要任务是悬停避障结束后，按照一定的制
3、导律控制着陆器的轨道和姿态，使得着陆器到达预定高度的速度接近于零，且保证着陆器在所选安全着陆区域上方。5) 自由下落段。该段采用关机自由落体方式。意义的补充（1）研究飞行机制，避免潜在危害 （2）探测组成成分，探索星系成因（3）寻找矿产资源，解决能源危机 （4）搜寻有机物质，提供新的思路使用的自主导航技术发射国家 探测器 自主导航控制技术 核心仪器美国 阿波罗8号地月转移自主天文导航，着陆和上升段自主导航与控制空间六分仪、测距和测速敏感器美国 深空1号自主对规划相机的拍摄次序，自主采集并处理图像信息，并依此不断修正探测器的运行轨道与姿态矫正微型成像敏感器美国 NEAR 自主计算太阳、地球、小行
4、星和探测器的位置，自动调整探测器的姿态激光测距仪近红外光谱仪、多色照相机美国 克莱门汀自动调整探测器姿态，具有自主导航制导控制系统紫外/可见光成像敏感器日本 隼鸟号采用先进的姿态轨道控制系统，具备高精度的自主控制能力光学成像敏感器、测距仪、导航信标欧空局 SMART-1在转移段和接近段进行自主导航试验微型光学成像敏感器欧空局 罗塞塔号 具有自主导航制导控制系统 光学成像敏感器、雷达中国 嫦娥二号 自主导航制导控制系统CCD立体相机、光学仪器理论依据与研究方法深空探测器着陆小行星的运动过程，其理论依据离不开对运动学、动力学、飞行力学等物理力学方面的研究，在此基础上，要实现在小行星上的安全软着陆更
5、需要稳定的控制系统，采用有效的控制算法，经过仿真实验，来验证控制系统的稳定性，从而，实现控制系统的制导与控制。深空探测器飞行距离远，时间长，环境未知性较强，传统上依靠地面测控的航天器制导律与控制方法在实时性、成本和资源上受到种种限制，存在很多不足，很难满足深空探测一些特殊任务对高精度制导与控制的需要。为此，深空探测自主导航、制导与控制技术受到人们的关注，在深空探测任务中不断取得进展，成为保证深空探测任务成功实施的关键技术。信息采集在自主导航系统组成部分中，导航敏感器是各组成部分的关键器件。为了满足对各种类型小天体的探测任务，人类研究了针对不同目标天体所需的导航敏感器，主要组成部分如图 3-1
6、所示。（1）导航相机（Navigation Camera）导航相机作为光学敏感器件，在探测器的自主导航系统中承担重要的任务，探测器对图像信息的采集需依靠导航相机的功能。导航相机中主要有 6 部分的功能元件：潜望镜；扫描镜；光学仪器；CCD 探测仪；滤光部分和快门；电子元件和控制元件。（2）微型成像相机和分光计（Miniature Imaging Camera And Spectrometer）MICAS 导航光学敏感器在深空 1 号探测任务中得到了应用。在 MICAS 的可视部分组成结构中主要包括两个设备：与标准 CCD（Charge Coupled Device）相当的探测仪；较小的主动像元
7、敏感器 APS（Active Pixel Sensor） 。由于 CCD 探测仪的视场范围较大，在距离目标小行星的距离较远采用 CCD 探测仪可达到较好视觉效果，当探测器在飞行接近小行星时，CCD 探测仪成像视角已处于饱和状态，需借助 APS 敏感器。（3）光学光谱和红外遥控成像系统（Optical Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System）OSIRIS 导航敏感器在罗塞塔号探测器任务中得到了应用。在 OSIRIS 导航敏感器的主要组成部分包括三个方面：窄视场相机系统、宽视场相机系统、两者共用的电子盒。其中导航目标以窄视场相机为系统的有：
8、确定彗星的彗核旋转、彗核的体积和密度、对非引力大小进行评估、研究着陆点的地貌特性；导航目标以宽视场相机为系统的有：对彗星喷射物的质量和变化进行测量、确立彗星的物理特性 44。（4）穆蒂光谱成像仪（The Muti-Spectral Imager）MSI 的主要组成部分包括：帧频为 1Hz 的对可见光、CCD 相机及一个数据处理单元。MSI 在 NEAR 探测器上得到了运用，实现了对 Eros 小行星的体积大小和表面形态实现了测量。MSI 的应用领域还包括探测器被目标天体引力捕获前期阶段 45。（5）激光探测器和测距仪（The Light Detection And Ranging instru
9、ment）LIDAR 是脉冲激光雷达，运用于 MUSES-C 号探测任务中。LIDAR 的主要功能是实现对目标小天体的引力大小、地貌形态进行测量。在探测器逐渐接近小行星的过程时，当到达距离小行星表面 50km 高度时， LIDAR 不断地对小行星表面进行检测，并计算与探测器之间的距离，当计算得到两者之间小于 50m时，探测器将采用 LRF-Laser Range Finder（激光测距仪）测量探测器与小行星表面之间的距离 46。自主导航系统组成导航相机微型成像相机和分光计光学光谱和红外遥控成像系统穆蒂光谱成像仪激光探测器和测距仪关于建模引力场建模方法为保证探测器安全软着陆，需对小行星特殊引力场
10、进行分析。相比于其它的行星而言，小行星的形状不规则、引力较小，能否建立合理的引力场模型对探测器的动力学模型的建立显得至关重要。对小行星引力场建模的方法研究发现，可将这些建模方法分两类。PCA-SIFT 算法上述着陆段的导航算法都存在一定的局限性,本文提出了一种利用 PCA-SIFT 算法提取的尺度不变特征点作为导唤陆标的自主导航算法。基于尺度不变特征点提取算法对于图像的缩放、旋转和光照都具有一定的鲁棒性,适用于匹配不同阶段拍摄的图像。PCA-SIFT 是 SIFT 算法的改进 ,采用主元素分析法将 128维的特征点描述符降低为 20 维,减少了存储量与特征点匹配的计算时间,且具有以下优势:(1
11、) 应用范围广, 即使在没有明显弹坑、岩石的地表也能提取出稳定的特征点;(2)特征匹配率高 ,特征点描述符的特殊性使其能够在大量的特征点中进行匹配;(3)匹配精度可以达到亚像素级,并可采用 RANSAC 算法11 消除误匹配。着陆段初期,利用拍摄的局部图像与小天体全景图像相匹配,结合小天体三维模型,确定探测器在小天体固连坐标系下的位置、姿态等信息;在着陆末端,利用拼接图像建立虚拟地图,即使在没有观测到目标着陆点的时候,也可以确定探测器相对于着陆点坐标系的位置。另一方面,将特征匹配算法与惯导信息进行融合,既克服特征点匹配算法计算量大的缺点,同时避免了惯导累积误差的影响,为精确着陆导航提供了保障。
12、表1-2 自主导航方法的类型与特点导航方法 导航特点惯性导航 对探测器的加速度进行测量，将加速度积分获得探测器的瞬时速度和位置天文导航 通过对天体信息测量与计算，得到探测器位置和姿态信息无线电导航根据无线电波的直线性、匀速性、反射性测定出探测器相对于发射台的位置、距离和速度信息全球定位导航 采用导航卫星测定探测器位置光学导航将已掌握的星历天体作为探测器的导航星，利用探测器携带的光学器件对已知天体拍摄成像，获取相应的信息，最终确定探测器自身的位置和速度组合导航 采用多种导航技术，综合各种导航优势预测控制 根据探测器在伴飞阶段所采集的关于小行星的环境信息及其安全软着陆所需要的信息（具体是哪些还要研
13、究？）预测出影响探测器下降段和着陆段的安全，稳定性的因素，可以更好地对着陆过程参数进行调整，实现更有效的控制。因预测控制不是用一个对全局相同的优化指标，而是在每一个时刻有一个相对于该时刻的局部优化性能指标。不同时刻优化性能指标的形式是相同的，但其包含的时间区域是不同的。所以可以在整个下降与着陆段根据采集处理后的信息对控制探测器的性能指标进行不断优化。 （在预测控制系统的设计中也有许多的要求要注意）滑模控制滑模控制（Sliding Mode Control）作为一种特殊的非线性控制方法，在控制领域中得到了广泛的应用。相比于其它的控制方法，滑模控制具有控制作用不连续、控制结构不固定、控制效果动态变化等特性，在滑模控制中系统会依据实际运行状态与预先规划相比较，按照偏差量与偏差导数等变化量有目的的改变系统的运动状态，保证系统按照规划轨迹运动。在滑模控制器的设计过程中，首先依据系统的控制要求及期望特性完成滑模面的设计，一旦确定系统的滑模面后系统的运动点则向滑模面不断趋近，并最终保持在滑模面上的运动状态，实现了滑模控制过程。
