行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究

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1、项目名称：行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究首席科学家：起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中华人民共和国工业和信息化部一、关键科学问题及研究内容科学问题一：行星表面复杂地形多尺度时空表征与特征识别问题行星表面地形极为复杂，布满了大量岩石、陨石坑、山脊、斜坡及不连续地貌，为了实现在行星表面安全精确地着陆，需要利用行星表面特殊地形提供导航信息，同时也需要对着陆区相关障碍地形进行识别，这就要求对行星表面地形环境表征和认知。由于行星距离地球遥远，同时已实施的探测任务有限，导致了目前大多数行星缺乏

2、高质量的地形环境表征。行星表面地形复杂呈现多样性，且形态各异，难于用描述符表征，不同高度、视角及运动状态所获取同一地形的观测数据也表现出迥异的特性，这使得对地形的表征与认知成为行星精确定点着陆的难点问题。因此，为实现高精度的着陆探测任务，急需揭示不同类型敏感器的动态误差分布特性、测量质量和精度退化机理，掌握多尺度时空影像数据与高程数据融合地形表征方法，建立行星表面地形环境的表征与认知基础理论，提出高可靠性的行星表面特征检测和识别方法。为此设定如下研究内容：1）行星表面复杂地形的多尺度时空关联表征2）行星

3、表面不变特征鲁棒提取与跨尺度匹配3）多样异构行星表面障碍检测与安全着陆点评估科学问题二：欠观测条件下自主导航系统信息获取与状态快速估计问题深空目标距离地球遥远，信息传输出现大时滞，难以进行着陆过程的实时测控，需要借助自主导航与制导控制技术实现行星表面精确着陆。目前行星着陆采用惯性测量单元，观测信息有限，导航精度低，不满足精确着陆的要求。同时，行星着陆过程中动力学环境具有不确知、强非线性和时变性，导致实时高精度导航极为困难。因此，为实现精确确定着陆器空间状态，迫切需要建立行星着陆非线性导航系统可观测度分析

4、理论，提出大气进入状态鲁棒估计导航观测方案，揭示大气模型、敏感器模型不确定性对导航性能的影响机理，提出利用行星表面自然路标与机会特征的高精度实时导航方法，建立多源扰动下着陆器状态自适应鲁棒估计理论与方法。为此设定如下研究内容：1）大气进入状态鲁棒估计导航观测方案与误差补偿机理2）利用行星表面自然路标与机会特征的高精度实时导航3）多源扰动下着陆器状态非线性估计理论与方法科学问题三：多约束非线性系统精确鲁棒制导与控制问题高精度制导与控制是着陆任务成功实施的前提和保障，但是由于大气模型与着陆器系统参数的不确定

5、、动力学的强扰动和时变非线性等诸多制约因素的存在，导致了着陆器制导和控制性能的退化。同时着陆制导与控制还面临制导目标的非一致性、控制的强耦合性、特殊的动力学特性等多约束条件，限制了系统可达区和可控区，使得着陆器的高精度制导与控制成为亟需解决的难点问题。因此，为实现更高的着陆精度，必须深入分析动力学环境和控制能力等各种因素对着陆轨迹的影响机理，提出非一致终端约束下的行星大气进入快速鲁棒制导方法，掌握不规则弱引力场中探测器运动行为机理，建立可行解空间约束下的精确着陆规划与制导理论。为此设定以下研究内容：1）

6、多约束的行星大气进入快速鲁棒制导2）强控制耦合条件下障碍规避与精确着陆制导3）不规则弱引力场中探测器运动行为分析与着陆控制二、预期目标3.1本项目的总体目标：我国目前正在进行的深空探测发展规划论证，可望在“十二五”期间独立开展火星探测，火星和小行星表面着陆探测也将会列入后续计划中。针对我国在“载人航天与探月工程”重大工程实施后所面临的行星着陆探测技术需求，研究行星精确着陆探测基础问题，解决行星精确着陆的导航与制导控制理论难题，并突破相应的关键技术，建立行星精确着陆导航与制导控制的基础理论与方法，取得系列

7、原创性成果，达到国际先进水平。本项目的研究将为深空探测、尤其是行星精确着陆探测的导航与制导控制提供理论和关键技术支撑，形成一系列具有自主知识产权的创新性成果，并应用于我国未来的火星和小行星着陆探测重大工程；同时，培养一批具有创新能力的深空探测领域的学术带头人和青年骨干，为实现我国在深空探测领域的跨越式发展奠定基础。3.2五年预期目标:解决行星精确着陆导航与制导控制问题，包括行星表面复杂地形多尺度时空表征与特征识别问题、欠观测条件下自主导航系统信息获取与状态快速估计问题、多约束非线性系统精确鲁棒制导与控制

8、问题，并完成原理性验证，为行星精确着陆的关键技术创新提供理论与方法。预期取得以下四个方面的突破：（1）建立行星表面复杂地形的多尺度时空表征，提出导航特征提取与匹配、障碍检测与识别、安全着陆点评估理论方法；（2）揭示着陆器大气进入与下降着陆的观测导航机理，建立欠观测条件下的不确定非线性系统状态实时估计理论方法；（3）揭示着陆器大气内飞行与动力下降的运动规律，提出多约束不确定非线性系统精确鲁棒制导理论方法；（4）揭示不规则弱引力环境下着陆器的运