星际软着陆动力下降在线轨迹优化与最优跟踪制导研究

Advanced autonomous guidance system for powered descent phase is considered as an important foundation for planetary soft landing missions. The drawbacks of traditional guidance strategies, including high fuel consumption, low real-time optimization efficiency, dependence on the accurate mode, and insufficient hazard avoidance capacity, have become the main bottlenecks for the development of high precision, high reliability and autonomous guidance technology. In this research, we conduct an investigation on real-time parameter landing system estimation, optimal trajectory online generation, and fuel-efficient trajectory tracking guidance. The main research contents include: proposing new trajectory optimization methods for fuel optimal pinpoint landing mission with the consideration of thruster configuration; revealing the impact mechanism of various key factors on the optimal trajectories distribution characteristics, in order to improve online trajectory generation efficiency ; establishing online parameter estimation theory by utilizing nonlinear system parameter identification algorithm and model-based fault diagnosis strategy, so as to deal with the parameter perturbation or system malfunction; presenting rapid trajectory generation and local optimization algorithms based on optimal trajectories distribution characteristics, to meet real-time requirements; establishing an hazard collision probability assessment mechanism through fast trajectory prediction, and then devising an optimal trajectory tracking guidance strategy with autonomous optimization and hazard avoidance features. This research aims at proposing a novel autonomous fuel-efficient guidance system for planetary soft landing, and the achievements would provide theoretical and technical foundation for future lunar and Mars landing missions.

动力下降段制导系统是决定星际软着陆任务成败的重要保障。传统制导律存在燃耗性能低、在线优化能力差、依赖精确模型和自主障碍回避能力不足等缺点，成为制约着陆系统高精度、高可靠性和自主制导技术等发展的主要瓶颈。本项目将围绕着陆系统参数在线估计、最优着陆轨迹快速生成、燃料高效跟踪制导等前沿问题展开研究。具体内容包括：考虑发动机安装特性，提出燃料最优精确着陆轨迹优化新方法，揭示关键参量对最优轨迹分布特征的影响机理；针对系统参数摄动及故障，综合非线性系统参数辨识和基于模型的故障诊断方法，形成着陆器在线参数估计理论；考虑强实时性、高自主性需求，提出基于最优轨迹特征的快速轨迹生成和局部优化算法；建立基于快速轨迹预测的障碍碰撞评估机制，提出具有自主优化和障碍回避能力的最优跟踪制导策略。本项目旨在构建具备在线自主决策能力的新型燃料高效着陆制导系统，研究成果将为我国未来月球及火星软着陆任务提供理论和关键技术支持。

行星的着陆探测是人们开展行星探测最重要的形式之一，也是未来载人探测任务的重要基础。动力下降段制导系统是决定星际软着陆任务成败的重要保障。传统制导律存在燃耗性能低、在线优化能力差、依赖精确模型和自主障碍回避能力不足等缺点，成为制约着陆系统高精度、高可靠性和自主制导技术等发展的主要瓶颈。.本项目将围绕星际着陆系统的障碍规避约束、状态约束、控制约束、燃料高效等需求展开研究。主要完成的研究内容包括：1)考虑发动机安装特性，提出燃料最优精确着陆轨迹优化新方法，揭示关键参量对最优轨迹分布特征的影响机理；2)考虑强实时性、高自主性需求，提出基于多幂次滑模趋近律的燃料高效轨迹跟踪制导策略；3) 针对火星着陆任务中存在着陆器位置、速度及最大推力等多种约束的问题，提出了基于模型预测控制的多约束火星着陆器制导方案，并设计了状态观测器实现对着陆器速度估计，设计了干扰观测器实现对着陆过程干扰进行估计。. 在本基金的资助下，项目组在国内外权威期刊和会议上共发表论文20篇，其中SCI 检索4篇，EI检索12篇。论文发表在JOURNAL OF AEROSPACE ENGINEERING、ADVANCES IN SPACE RESEARCH和自动化学报、深空探测学报等国内外优秀期刊上。在项目的资助下，项目团队成员赴国外参加国际权威会议5次；直接培养博士和硕士研究生4名。. 本项目旨在构建具备在线自主决策能力的新型燃料高效着陆制导系统，研究成果将为我国未来月球及火星软着陆、小行星着陆和载人行星探测任务提供理论和关键技术支持。