如何在崎岖月面着陆?航天五院张洪华团队揭秘嫦娥五号GNC系统

来源: 科技日报 作者:李禾0

  嫦娥五号探测器是中国首个完成月球采样返回任务的航天器。中国探月计划按照“绕、落、回”三步实施,而对作为实现最后一步“回”的嫦娥五号探测器而言,重中之重在于制导、导航与控制系统(GNC)。在期刊《Space:Science & Technology (空间科学与技术)》上,航天五院北京控制工程研究所的张洪华研究团队日前发表了论文《嫦娥五号动力下降制导、导航与控制系统》(Guidance Navigation and Control for Chang’E-5 Powered Descent),对协助嫦娥五号实现月表成功着陆的GNC系统,进行了深入解析。

  《空间科学与技术》(Space:Science & Technology )是北京理工大学(BIT)、中国空间技术研究院(CAST)和美国科学促进会(AAAS)/ Science共同打造的综合性高水平国际化英文科技期刊,采用开放获取(OPEN ACCESS,OA)平台出版,该刊是美国科学促进会(AAAS)自1880年创建Science期刊以来的第一本航天领域的伙伴期刊。该刊由工信部主管,美国科学促进会(AAAS)和北京理工大学出版社联合出版发行。

  2020年12月1日,全世界都屏息等待着嫦娥五号顺利降落在月球表面,这是40年间首次月球采样-返回任务。此次航天任务的目标包括顺利完成月球着陆,对月球表面进行采样,并将样品带回地球。

  嫦娥五号航天器包括轨道器、返回器、着陆器和上升器,其中轨道器和返回器组合体(ORM)、着陆器和上升器组合体(LAM)这两个组合体在环月阶段分离:前者负责留轨运行,后者则会在月面着陆。着陆月球表面后,着陆器留在月球,而上升器与着陆器分离后起飞上升至环月轨道,通过与ORM交会对接将采集的月球样本带回给返回器后,就会与ORM脱离,继而实施可控的离轨和撞月自毁。尽管此前的嫦娥三号、嫦娥四号探月任务也都实现了软着陆,但嫦娥五号是首个计划携带月壤返回地球的探测器,这无疑增加了制导、导航与控制系统的设计难度。除此之外,考虑到上升器需要从月面重新起飞上升,所需的燃料也更多,研究人员特别为此设计了轻质表面张力贮箱以降低贮箱重量。

  在环月轨道上,着陆器和上升器组合体(LAM)初始时,是以水平姿态从轨道器和返回器组合体(ORM)分离,但最后却以竖直姿态完成着陆。如何准确实现姿态调整以达到期望触月状态,对于着陆过程至关重要。这一过程中,航天器还需要避免液态燃料的晃动,否则可能造成LAM较大扰动甚至引起LAM控制的不稳定。

  张洪华团队采用可重构姿态控制方式,其中包括分区四元数控制、相位与增益稳定滤波器和双观测器。其中,分区四元数控制的重点在于控制LAM刚体模态的角度和角速度,确保姿态调整快速、准确;通过滤波器对LAM的三轴姿态施加控制,从而提升控制系统的鲁棒性,解决液体晃动问题;双观测器可以估计并补偿多种干扰,从而优化控制系统的控制效果。

  LAM在下降和着陆过程使用多个敏感器进行导航。配备多个同样功能敏感器会造成系统冗余,但这是具有较高风险的动力下降过程所必需的。那么,LAM要如何检测敏感器故障并选择合适敏感器数据呢?论文显示了答案,通过智能异构信息融合,即对测量相同信息的敏感器输出数据进行比较。如果其中一个敏感器的输出和其他明显不同,此敏感器即被判为故障,会由其他敏感器替代它继续执行导航任务。

  张洪华认为,多源数据融合检测方法具有较强推广可能性,如异构惯性测量单元(陀螺仪传感器、加速度传感器)、异构测速仪的信息融合,并且有希望在其他飞行器中获得应用。

(责任编辑:韩梦晨)

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