火星表面起飞上升轨迹快速优化与智能自适应制导方法研究

At present, the Mars exploration relies only on the autonomous sampling analysis of the rover. But the scientific processing methods of the load are very limited. Human analysis will then be required for deeper scrutiny of soil samples. In any case, Mars sample return has become a technical challenge which must be overcome in the further survey of planetary science and manned mission. The master of the ascent phase from Mars ground shall be required. The Mars ascent vehicle(MAV) will experience multiple stages such as take-off, in-the-air and extra-atmospheric flight, and face many unfavorable conditions. For example, the flight environment has a large span of state, the aerodynamic environment is complex and variable, the initial take-off state and the disturbance torque are uncertain, and the equipments have high failure rate as they are exposed to the Martian dust environment for a long time. In addition, the subsequent rendezvous and docking also puts high accuracy requirements. Therefore, a serious challenge to the guidance and control system of the ascent phase from Mars ground is raised.Based on the optimization and intelligent adaptive control theory, this project studies a fast online optimization and closed-loop guidance method for the flight in the atmosphere considering the dynamics uncertainty, and an intelligent adaptive update iterative guidance method for the extra-atmospheric flight considering the failure of the power system in the Martian environment, which improve the control precision of the system and ensures the reliability and robustness of the system.

目前，火星探测仅能通过火星表面巡视器的自主取样进行分析，但巡视器载荷的科学处理手段十分有限，对矿物岩石的深入研究还需要依赖人工分析。因此，取样返回成为了进一步探索火星和载人登火任务必须攻克的技术难题。在该过程中，火星表面起飞上升是最具挑战性的关键过程。上升器将经历起飞、大气层内飞行、大气层外飞行等多个阶段，面临飞行环境状态跨度大，气动环境复杂多变，初始起飞状态和干扰力矩的不确定性大，设备由于长期暴露在火星尘土环境下导致故障率高等多项不利条件。此外，后续交会对接对上升器的入轨精度也提出了很高的要求。为保障定时定点地进入预定轨道，火星表面起飞上升过程的制导控制系统面临着严峻的挑战。本项目拟基于优化和智能自适应控制理论，研究一种考虑动力学不确定性的大气层内轨迹快速在线优化和闭环制导方法、一种大气层外智能自适应更新迭代制导方法，以提高系统的控制精度、保障系统的可靠性和健壮性。

行星的采样返回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。从火星表面起飞上升入轨，国际上还没有成功案例，具有极高的技术挑战性。火星表面起飞上升的运载器质量要求很小，一般要求小于350kg左右，且火星表面起飞克服重力和气动阻力的速度损耗相比月球都大很多，等效速度增量需求大。同时点火起飞过程的外干扰量级大、动态变化快且未知性强。不仅如此，更由于上升器轻小型细长体的特点，其弹性振动对轨迹影响同样难以估量；上升器进入环火轨道后没有变轨能力，为满足交会对接要求，入轨精度要求很高，约束非常严格；如何在运载能力受限、资源受限，干扰因素多，不确定性强的情况下，实现高精度的入轨是难点。.本项目针对上述问题开展研究。主要完成的研究内容包括：(1)针对多级上升器，研究多约束条件下上升器参数自主快速优化技术，开发模型参数优化设计软件，以适应不同工况下使总发射质量最优的上升器分级参数计算；(2)研究基于高斯伪谱法和凸优化方法的上升轨迹快速优化技术，并根据不同方法下的结论比较得出结论：采用三段式起飞上升轨迹为最优飞行方案；(3) 针对运载能力受限、入轨精度要求高，干扰因素多，不确定性强的火星表面起飞上升制导控制问题，基于阿波罗制导、预测制导、辨识技术和自适应控制理论等实现了三段式上升轨迹的智能自适应制导与控制。.在基金的资助下，在国内外权威期刊和会议上共发表论文10篇，包括在Aerospace Science and Technology、IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems、Advances in Space Research 等SCI 期刊发表论文5篇，国内顶级航天领域期刊宇航学报、Astrodynamics发表EI检索论文2篇。其中项目负责人参加学术会议3次；授权国防专利1项；直接培养博士和硕士研究生3名。.本项目已完成预期研究目标，取得了一定数量的研究成果，更主要的是相关研究成果在现阶段我国正在开展的天问三号（火星采样返回任务）关键技术攻关任务中，已作为主要的支撑技术，发挥着重要作用。