基于脉冲星和小行星的组合导航在深空巡航段的应用

为提高航天器在深空探测巡航段的自主导航能力,提出一种利用脉冲星和小行星信息的自主导航系统.利用单X射线探测器测量脉冲星辐射的光子到达时间,利用导航相机获取小行星图像,经信号处理,获取脉冲星的脉冲到达时间和小行星中心点对应的像元像线,利用集中式扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计,并修正星载时钟钟差.以美国“深空一号”任务深空巡航段轨道为例进行了仿真实验,仿真结果表明了该方法的有效性,能够完成深空探测器在巡航段的自主导航任务,同时,组合导航解决了基于小行星光学信息单独导航时的星载时钟钟差发散问题,且同光学导航相比,位置估计精度提高了57.18％.     

利用小行星视线矢量的火星探测光学自主导航研究

结合我国即将开展的自主火星探测计划,研究了航天器在火星探测巡航过程中利用小行星进行光学自主导航的整个过程. 根据巡航段的设计轨道,给出了导航小行星的筛选条件并筛选出可用于实际任务的导航小行星序列. 将自主导航的数据弧段长度设定为30d,数据观测周期为5d. 采用加权最小二乘滤波算法,当数据弧段长度为30d时,导航计算的位置误差在100～400km变化,速度误差不超过0.25m/s.      

碎石堆小行星的散体动力学建模与仿真方法综述

探测小行星将是未来几十年内航天界的研究热点. 现有资料表明小行星多为疏松多孔的碎石堆结构,易受探测活动的影响而破碎瓦解,因此对其探测必须先进行动力学建模,研究探测活动与小行星结构的相互作用,确保探测任务顺利执行. 在中国即将开展小行星探测任务的背景下,调研分析了散体动力学的研究和发展情况;并根据国内外的相关研究,对目前碎石堆小行星动力学模型与数值模拟方法的研究进行了综述;最后,结合小行星探测的应用背景,总结了小行星散体动力学模型中需解决的关键问题.      

不规则小行星引力场内的飞行动力学

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

不规则小行星引力场内的飞行动力学

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

2010年国际深空探测轨道优化竞赛题目与竞赛结果

深空探测主要是指针对月球以远的天体和空间的探测活动. 自1959年前苏联发射``月球一 号'成功飞越月球以来, 人类发射了180多颗深空探测器, 已探测 了太阳系中除冥王星以外的主要天体及一些小行星. 早期探测器都采用脉冲推进方式, 推力 大、作用时间短, 可以采用几何方法设计轨道. 在未来的深空探测中, 将广泛采用高比冲连 续小推力方式, 轨道设计需要运用最优控制理论. 多目标、多任务探测的轨道优化设计, 实 际上是存在大量局部极值的全局优化问题. 为了探索轨道设计新理论和新方法, 促进同行交 流, 2005年欧空局新概念组(简称ACT)发起并组织了第一届深空探测轨道优化竞赛, 之后 每年由上届冠军接力主办. 参赛人员都是在科研一线从事轨道设计的专业人员, 来自大学的 参赛队伍中有些研究生. 在竞赛的4周时间内, 参赛队伍可动用任何人力和物力资源来解答 竞赛题目.     

Flight dynamics over irregular asteroids

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

封面说明:首届全国深空探测竞赛

由中国力学学会、清华大学航天航空学院共同举办的``首届全国深空轨道设计竞赛颁奖大会 暨专题研讨会'于2009年5月16日在清华大学逸夫楼举行. 中国力学学会理事长李家春院士与会讲话与颁奖。李院士在发言中强调深空探测是未来各国 航天界重点发展的方向,是一个国家综合国力、整体技术实力的体现,在深空探测任务中, 力学扮演着举足轻重的角色. 该项竞赛活动为大学生、研究生提供了一个深入研究和探讨的 平台. 希望通过该项竞赛活动,为我国的深空探测领域选拔和储备后备人才. 首届竞赛的题目为``小行星探测轨迹优化设计问题',共有来自全国各地的33支队伍报名参 加. 深空飞行轨道的时间尺度很大、优化方法多样、可选的方案组合广泛,存在很多可行解, 寻找其中的最优方案是深空探测轨道设计的核心问题之一. 竞赛问题将主要考虑深空探测任 务轨道设计中的全局优化问题,模型参数将结合工程实际背景选取. 竞赛形式为公开发布题 目,根据性能指标的优劣评判名次. 本次竞赛从3月5日公布题目,要求5月16日前提交结 果,之后组织专家对各队提交的结果进行审核复算,最后评选出中科院光电研究院的参赛队 获得本届竞赛的冠军. 亚军、季军分别是来自西安测控中心、国防科技大学的参赛队。竞赛 活动优胜者获得奖杯与荣誉证书.(图文供稿:高云峰,宝音贺西,李俊峰,清华大学航天航空学院,北 京 100084)     

第四届全国空间轨道设计竞赛题目：太阳系小天体探测飞行轨道优化设计

1探测任务描述 1.1任务概述 探测器将于2015年1月1日～2025年12月31日之间任意时刻从地球出发,选取太阳系若干小天体开展多种形式探测,探测任务总时间不超过15年（5478.75天）.小天体探测目标分为近地小行星、主带小行星、     

2010年国际深空探测轨道优化竞赛的国防科技大学解法

国际深空探测轨道优化竞赛是国际航天界的一项大型综合性赛事, 直接反应了各国开 展深空探测任务轨道设计与优化的实力. 结合课题组参加2010年举办的第五届比赛情况, 从 初步分析、小行星序列选取、小推力轨道设计和轨道演算与数据输出四方面进行了比赛历程 回顾, 给出了最终的设计结果, 并总结了参加比赛的收获与不足.     

Low-thrust trajectory optimization for multiple target bodies tour mission

Spacecraft science missions to planets or asteroids have historically visited only one or several celestial bodies per mission. The research goal of this paper is to create a trajectory design algorithm that generates trajectory allowing a spacecraft to visit a significant number of asteroids during a single mission. For the problem of global trajectory optimization, even with recent advances in low-thrust trajectory optimization, a full enumeration of this problem is not possible. This work presents an algorithm to traverse the searching space in a practical fashion and generate solutions. The flight sequence is determined in ballistic scenario, and a differential evolution method is used with constructing a three-impulse transfer problem, then the local optimization is implemented with low-thrust propulsion on the basis of the solutions of impulsive trajectories. The proposed method enables trajectory design for multiple asteroids tour by using available low thrust propulsion technology within fuel and time duration constraints.     

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主要介绍深空探测中的动力学与控制相关基础性问题，分析研究现状和发展趋势， 尝试提出新的研究课题.     

Machine learning in planetary rovers: A survey of learning versus classical estimation methods in terramechanics for in situ exploration

For the design of space missions in the Moon and planets, analysis of mobility in robots is crucial and poor planning has led to abortion of missions in the past. To mitigate the risk of mission failure, improved algorithms relying intrinsically on fusing visual odometry with other sensory inputs are developed for slip detection and navigation. However, these approaches are significantly expensive computationally and difficult to meet for future space exploration robots. Hence, today the central question in the field is how to develop a novel framework for in situ estimation of rover mobility with available space hardware and low-computational demanding terramechanics predictors. Ranging from pure simulations up to experimentally validated studies, this paper surveys dozens of existing methodologies for detection of vehicle motion performance (wheel forces and torques), surface hazards (slip-sinkage) and other parameters (soil strenght constants) using classical terramechanics maps, and compare them with novel approaches introduced by machine learning, allowing to establish future directions of research towards distributed exteroceptive and proprioceptive sensing for visionless exploration in dynamic environments. To avoid making it challenging to collect all relevant studies expeditiously, we propose a global classification of terramechanics according most common practices in the field, allowing to form an structured framework that condense most works in the domain within three estimator categories (direct/forward or inverse terramechanics, and slip estimators). Likewise, from the experiences collected in previous MER (Mars Exploration Rover) missions, five overlooked problems are documented that will need to be addressed in next generation of planetary vehicles, along three research questions and few hypothesis that will pave the road towards future applications of machine learning-based terramechanics.     

Exploring cold regions autonomous operations

The US Army must update its vehicle fleet to be better equipped for potential future military conflicts in northern climates (US Army, 2017). This process involves considering manned, optionally manned, and unmanned vehicles as viable options in the future. Optionally manned and unmanned vehicles in the armed forces have substantial benefits because they can operate without direct driver input or are able to perform missions deemed too dangerous for troops. Optionally manned vehicles allow the driver to shift some, or all, focus away from the task of driving the vehicle. In some cases, these autonomous vehicles may perform better than a human driver by rapidly sensing and reacting to terrain changes. Onboard sensing and decision making are equally applicable to both fully autonomous and teleoperated vehicles. This work will focus on the terrain sensing, waypoint navigation, and teleoperation potential of an optionally manned or unmanned vehicle. Results from a vehicle demonstration on two different terrain conditions will provide the basis for additional terrain sensing and autonomous vehicle development work in the coming year.     

面向火星探测的环氧形状记忆聚合物复合材料的性能研究

国家火星探测任务是建设航天强国进程中的重大标志性工程,是中国航天走向更远深空的里程碑工程.智能材料这种集材料、结构和功能于一体的先进材料将会对火星探测任务有所助力.形状记忆聚合物及其复合材料作为一种典型的智能材料,可在有效减轻载荷的同时实现自主变形,已经在地球同步轨道航天器的应用中崭露头角.因此有必要研究这种新型环氧基形状记忆聚合物复合材料应用于火星探测工程的可能性.首先,针对“天问一号”火星探测器的任务需求,设计了一个具有自释放功能的着陆平台国旗装置.其中的锁紧释放装置由碳纤维增强的形状记忆聚合物复合材料制成,分别从静态拉伸力学性能、动态热机械性能和形状记忆性能三个角度评估了空间辐照和长期存储对形状记忆聚合物复合材料的影响.其中,空间辐照包括γ射线和紫外射线,辐照剂量分别为5×10⁵ rad和23.6 kCal.长期存储分为低温-196℃、室温25℃和高温85℃存储30天,和低温-196℃存储457天两组实验.最后,从“祝融号”火星车所携带相机拍摄的照片可以看到五星红旗被成功释放,旗面平整、图案清晰.这说明所研究的环氧基形状记忆聚合物复合材料可成功应用于火星探测...     

一种可用于运载火箭的SINS/GNSS自主导航方案

研究了一种可用于运载火箭的SINS/GNSS自主导航方案。起飞前捷联惯组采用基于惯性系重力加速度积分的解析粗对准和卡尔曼滤波精对准,起飞后采用SINS/GNSS卡尔曼滤波组合导航反馈实时修正姿态、速度和位置。仿真结果表明捷联惯组水平自主对准误差0.01°,方位自主对准误差1.5°,起飞后经组合导航修正后的姿态误差小于0.2°,速度误差小于0.4m/s,位置误差小于40m,考虑所有误差的蒙特卡罗仿真结果满足火箭入轨精度要求,此方案具有较高的工程应用价值。     

双小行星探测轨道动力学研究进展

双小行星系统由在万有引力作用下彼此环绕的两颗小行星组成, 对研究太阳系起源、行星系统演化和行星防御都具有重要的价值, 近年来成为行星科学和航天动力学研究的热门对象, 对双小行星系统的原位探测也即将迎来热潮. 双小行星系统的独特构型和附近的复杂动力学环境为探测器轨道动力学和任务设计带来了全新的挑战, 为应对这些挑战所进行的研究也推动了轨道动力学基础理论的发展. 本文对双小行星探测轨道动力学的研究进展进行综述, 首先介绍了双小行星研究和探测的背景及意义, 简要阐述了双小行星系统形成理论及其附近轨道动力学的研究概况. 其次, 介绍了双小行星系统不规则引力场和相互引力势的建模方法, 进而展示了双星的姿态轨道耦合动力学, 即完全二体问题, 包括双星相对运动的平衡构型和稳定性. 接着, 介绍了描述双星附近探测器轨道运动的限制性完全三体问题的动力学模型, 以及该模型下的平动点、平动点周期轨道、大范围周期轨道、转移轨道和轨道维持等方面的研究进展. 第四部分综述了环绕双小行星系统单颗星的受摄二体问题, 以轨道摄动理论和行星系统中受摄二体问题的研究现状为背景, 介绍了环绕双小行星系统主星的半解析轨道动力学建模与轨道稳定性分析. 之后, 介绍了目前面向探测任务需求和考虑实际约束的轨道动力学研究和轨道设计. 最后, 基于目前研究进展, 分析了面临的若干问题, 对未来双小行星探测轨道动力学及相关技术的发展进行了讨论和展望.      

地球重力场空间探测: 回顾与展望

地球重力场的科学数据在地球测绘学、冰川学、陆地水循环、固体地球物理、灾害监控及国防军事等领域具有重要应用价值. 美、德合作研制的地球重力场反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)卫星, 有力地推动了地球重力场测量、反演和应用. 为进一步提高重力卫星科学数据的时、空分辨率, 扩展应用领域, 中国及欧美等国都考虑发射升级的重力卫星, 即后GRACE 计划(GRACE-follow-on). 本文将简单回顾重力卫星的发展历程, 介绍重力卫星的数据采集技术和反演方法, 亦着重阐述后GRACE计划的测量方法学、关键技术及预期结果.