火星着陆多约束轨迹优化与鲁棒制导方法研究

Planetary exploration is one of the most important areas of aerospace technology development. Following the success of China's lunar exploration program, a high focus will be placed on Mars which is the next exploration target. Aiming at the deficiencies of engineering solution and theoretical research, the project will develop innovative theories and methods of landing trajectory optimization and robust guidance to deal with the difficult problem of Mars landing. Firstly, multi-constraint Mars entry trajectory optimization for high-elevation landing will be conducted based on intelligent optimization theory, which will be an extension to the traditional optimization method of solution space. Secondly, a stochastic guidance under observability constraint, introducing uncertainties of navigation to guidance design, will be researched for Mars landing, which will provide innovative ideas for integrated navigation and guidance system design. Finally, a framework based on stochastic Liouville equation will be provided for the propagation of uncertainty in Mars entry, descent, and landing. And a robust adaptive guidance and control strategy will be considered for Mars pin-point landing. The project research will lay a fundamental base for the theory and method of guidance and control for Chinese future Mars exploration program.

行星探测是当前航天技术发展的重要领域之一。我国在探月成功之后，火星将成为下一个重点探测目标。本项目将围绕火星着陆任务面临的难点问题，针对工程解决方法和理论研究中存在的不足，探索创新性着陆轨迹优化与鲁棒制导理论与方法。基于智能优化理论，研究高海拔着陆火星大气进入轨迹多约束耦合规划方法，对传统解空间优化方法进行扩充；将导航估计不确定性纳入制导设计中，提出基于可观测性约束的火星着陆轨迹随机优化制导方法，为导航制导系统一体化设计提供新思路；基于随机Liouville方程分析高维非线性动力学不确定性传播机理，获得低升阻比探测器火星精确着陆鲁棒自适应制导控制策略，为我国未来全面开展火星探测活动提供着陆轨迹规划与制导方面的理论基础与技术储备。

项目以未来火星探测任务对探测器轨迹规划与制导技术的需求为背景，完成了对高海拔着陆火星大气进入轨迹多约束耦合规划方法、基于可观测性约束的火星着陆轨迹随机优化制导方法、低升阻比探测器火星精确着陆鲁棒自适应制导方法的研究。提出了基于混沌多项式的火星大气进入状态不确定性传播规律分析方法，解决了火星探测非线性动力学系统的不确定度快速计算与分析问题；首次在火星大气进入走廊设计中考虑不确定因素的影响，针对火星大气进入段存在的大气密度、飞行器升阻比和弹道系数的不确定性，提出了基于能控交/并集的火星大气进入走廊优化设计方法，为火星进入轨迹优化设计提供了初始进入走廊的优化选取准则；基于火星大气进入状态不确定性传播规律的分析结果，同时考虑动力学约束、边界约束、路径约束等制约条件，提出了火星大气进入轨迹多约束鲁棒规划方法，解决了火星稀薄大气高海拔着陆轨迹多约束规划问题，对解决强非线性多约束条件下的系统解空间优化问题的传统思想和方法进行了有益扩充；在此基础上，首次将可观测性概念引入火星进入轨迹优化设计中，针对进入轨迹形状对导航观测性能的影响，在轨迹优化过程中考虑导航可观测度，提出了基于可观测性约束的火星着陆轨迹优化设计方法，解决了观测能力受限导致导航制导整体性能退化问题，为火星着陆导航与制导一体化设计提供新的思路和手段；并围绕大气进入预测制导律实现着陆的精确性与安全性问题，针对火星大气进入过程存在对热流、过载等路径约束的要求，采用规划路径点方法在保证对进入过程路径约束满足的同时，提高了制导指令的解算效率，为小升力探测器制导控制系统提供新的设计思路和方法。进而形成了火星着陆任务复杂约束下可行解空间的全局寻优方法、弱观测轨迹随机优化制导方法与不确定摄动轨迹鲁棒自适应制导控制方法，为火星精确着陆制导控制问题提供了新颖的、更为有效的思路和手段，为工程实践中保证火星着陆控制的顺利实施提供了理论基础与技术支撑。