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

《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》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

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。

2、软着陆过程分为以下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、小行星和探

4、 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 更需要稳

5、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

6、3-1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；较小的主动像元敏

7、感器APS(Active Pixel Sensor)o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：确定彗星的彗

8、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 期阶段囹。(5) 激光探测器和测距仪(The Light Detection And Ranging instrument)LIDAR是脉

9、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。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堑穆蒂光谱成像仪激光探测器和测距仪关于建模(3)建模方法依据不同的动力学原理.柔性寥体系统动力学建模主要基于两类基本方法： 矢量力学方法和

10、分析力学方法，Newton/Eukr(N/E)方法是典型的矢量力学方法，其特点是对每个物体做隔离分 析，物理意义明确，刻画了系统完整的受力关系，是目前动力学分析中应用于实 时控制的主要手段,在应用N/E法建立柔性多体系统动力学模型时，将不可避免地 出现理想约束力，在数值求解过程中,要引入拓扑结构分析方法消除约束力，分析力学方法主要以Lagrange法为代表，其特点是将系统作为整体考虑，在 建模过程中不出现约束反力,Lagrange方法是目前应用较多的柔性多体系统动力学 建模方法。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

11、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)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

12、 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。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

13、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

14、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。