天問一號(hào)進(jìn)入下降著陸過程GNC關(guān)鍵技術(shù)

黃翔宇 郭敏文 李茂登 徐超 胡錦昌 王曉磊 趙宇 劉旺旺

（1北京控制工程研究所，2空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

火星EDL過程任務(wù)階段劃分示意圖

1 引言

我國首次火星探測任務(wù)天問一號(hào)探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器（包括進(jìn)入艙和祝融號(hào)火星車）組成，通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標(biāo)[1]。天問一號(hào)探測器于2020年7月23日成功發(fā)射，2021年2月10日進(jìn)入火星環(huán)繞軌道，2021年5月15日7時(shí)18分，著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選區(qū)，標(biāo)志著我國首次火星探測任務(wù)著陸火星取得圓滿成功。

進(jìn)入下降著陸（EDL）過程從大氣進(jìn)入點(diǎn)（距離火星參考表面約125km）開始，到著陸火星表面結(jié)束，是保證天問一號(hào)探測器安全著陸的最關(guān)鍵階段，其主要任務(wù)是減速和機(jī)動(dòng)，以保證探測器接觸火星表面的狀態(tài)（姿態(tài)和速度）安全和落區(qū)地形地貌安全。EDL過程需要將探測器從約1.7×104km/h的速度快速減至接近于0，同時(shí)還要按順序完成配平翼展開、降落傘打開、大底分離、著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開、傘-背罩組合體分離、主發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火、傘-背罩組合體規(guī)避和障礙規(guī)避等一系列動(dòng)作，才能實(shí)現(xiàn)安全著陸。可見，EDL過程是火星探測任務(wù)最具技術(shù)挑戰(zhàn)的階段，其主要任務(wù)由著陸巡視器進(jìn)入艙制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）分系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)施。因此，本文將針對(duì)EDL過程面臨的挑戰(zhàn)，給出天問一號(hào)著陸巡視器進(jìn)入艙GNC關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)際飛行情況。

2 EDL過程挑戰(zhàn)

EDL過程從大氣進(jìn)入點(diǎn)開始，到著陸火星表面結(jié)束，可以分為氣動(dòng)減速、傘降減速和動(dòng)力減速三個(gè)關(guān)鍵階段，其中，氣動(dòng)減速段包括攻角配平段和升力控制段，主要利用火星大氣進(jìn)行減速并對(duì)探測器航程和橫向航程進(jìn)行控制；傘降減速段主要利用降落傘進(jìn)行減速；動(dòng)力減速段包括動(dòng)力規(guī)避段、懸停成像段、避障機(jī)動(dòng)段和緩速下降段[2-4]，主要通過發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行主動(dòng)減速控制，并規(guī)避傘-背罩組合體和地形障礙，從而實(shí)現(xiàn)安全軟著陸。

天問一號(hào)是我國首次實(shí)施的火星探測任務(wù)，任務(wù)實(shí)施前，我國對(duì)火星環(huán)境的認(rèn)識(shí)十分缺乏，因此，EDL過程GNC分系統(tǒng)面臨著火星表面環(huán)境（大氣密度、溫度、風(fēng)和沙塵等）不確知性大、EDL過程不可逆（動(dòng)作多、環(huán)環(huán)相扣）、時(shí)間短（僅7～10min）、通信時(shí)延大（此時(shí)火星距離地球約3×108km，地火雙向通信時(shí)延長達(dá)36min）、地面測控站無法干預(yù)著陸巡視器的控制等挑戰(zhàn)，GNC分系統(tǒng)需要在復(fù)雜、不確知環(huán)境下實(shí)現(xiàn)完全自主決策和控制。

此外，EDL傘降減速段（馬赫數(shù)大于1.4）由于開傘存在喘振現(xiàn)象（降落傘在第一個(gè)充氣載荷峰值后，將持續(xù)出現(xiàn)一系列載荷峰值，將這個(gè)反復(fù)出現(xiàn)載荷峰值的動(dòng)力學(xué)過程稱為喘振）[5-6]，著陸平臺(tái)的角速度和角加速度可能超出陀螺量程導(dǎo)致系統(tǒng)導(dǎo)航基準(zhǔn)丟失、任務(wù)失敗，因此GNC分系統(tǒng)還需要具備在大動(dòng)態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度高容錯(cuò)自主導(dǎo)航的能力。

最后，EDL過程還存在如下兩方面挑戰(zhàn)：一方面，火星表面地形地貌復(fù)雜，如：南半球大都是布滿撞擊坑的高地，北半球大都是布滿撞擊坑的低洼平原，火星還有比地球上大得多的火山和峽谷，而天問一號(hào)著陸前并沒有落區(qū)地形地貌的高分辨率數(shù)據(jù)，落區(qū)地形安全需要著陸平臺(tái)在軌自主保證；另一方面，EDL傘降減速段結(jié)束后著陸巡視器將拋掉傘和背罩后繼續(xù)飛行，背罩與著陸平臺(tái)可能發(fā)生碰撞，降落傘也可能罩住著陸平臺(tái)，從而危及著陸平臺(tái)的安全，因此在EDL動(dòng)力減速段，GNC分系統(tǒng)面臨著在多約束條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)自主障礙識(shí)別與規(guī)避，以及傘-背罩組合體規(guī)避的挑戰(zhàn)。

3 GNC關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述火星EDL過程的挑戰(zhàn)，天問一號(hào)著陸巡視器進(jìn)入艙GNC分系統(tǒng)突破了多約束下的自適應(yīng)規(guī)劃制導(dǎo)與控制、大動(dòng)態(tài)環(huán)境下的高容錯(cuò)自主導(dǎo)航、大干擾下的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)魯棒控制、EDL過程GNC高置信度仿真驗(yàn)證等一系列關(guān)鍵技術(shù)，在天問一號(hào)成功著陸火星任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

1）多約束下的自適應(yīng)規(guī)劃制導(dǎo)與控制技術(shù)?；鹦潜砻娲髿饷芏?、溫度、風(fēng)及沙塵等環(huán)境不確知性大，進(jìn)入艙所能承受的最大過載、最大熱流、總吸熱量和開傘狀態(tài)等約束多，針對(duì)這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多約束下的大氣進(jìn)入自適應(yīng)規(guī)劃與制導(dǎo)算法，實(shí)現(xiàn)了火星復(fù)雜飛行環(huán)境下的開傘狀態(tài)優(yōu)化控制、高精度定點(diǎn)著陸和適應(yīng)進(jìn)入點(diǎn)狀態(tài)偏差大的自主軌跡規(guī)劃。針對(duì)拋傘后著陸平臺(tái)的減速、傘-背罩組合體和地形地貌障礙的統(tǒng)一規(guī)避等需求，設(shè)計(jì)了多約束一體化自適應(yīng)規(guī)劃與控制策略，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力減速、避障和降落傘及背罩規(guī)避的協(xié)調(diào)一致控制，避免了由于降落傘及背罩與著陸平臺(tái)發(fā)生碰撞或降落到障礙區(qū)導(dǎo)致任務(wù)失敗的情況，顯著提高了軟著陸的安全性。

2）大動(dòng)態(tài)環(huán)境下的高容錯(cuò)自主導(dǎo)航技術(shù)。針對(duì)火星EDL過程的高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了遞歸式優(yōu)化多子樣慣性導(dǎo)航算法，提高了大氣進(jìn)入段和傘降段大動(dòng)態(tài)飛行環(huán)境下的慣性導(dǎo)航精度。針對(duì)EDL過程環(huán)境動(dòng)態(tài)大、測量波束多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于零空間和故障樹的多波束故障檢測與隔離方法，克服了多并行故障檢測隔離難、計(jì)算量大的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了多波束的故障快速檢測與隔離，顯著提高了導(dǎo)航容錯(cuò)能力。針對(duì)開傘后大動(dòng)態(tài)過程可能引起的多個(gè)陀螺飽和問題，設(shè)計(jì)了基于多波束測距測速和慣性測量信息的導(dǎo)航基準(zhǔn)快速重構(gòu)算法，從根源上消除了大動(dòng)態(tài)過程下導(dǎo)航基準(zhǔn)丟失帶來的著陸失敗風(fēng)險(xiǎn)，提高了極端工況下EDL任務(wù)的成功概率。

3）大干擾下的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)魯棒控制技術(shù)。針對(duì)火星EDL過程動(dòng)力學(xué)復(fù)雜、動(dòng)力減速入口條件散布大導(dǎo)致的姿態(tài)快速準(zhǔn)確跟蹤要求，設(shè)計(jì)了推力指向與滾動(dòng)姿態(tài)解耦與分區(qū)姿態(tài)規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力減速過程推力方向的快速跟蹤控制和軌跡的高效高精度控制。針對(duì)動(dòng)力減速過程中存在的快時(shí)變大干擾力矩、著陸平臺(tái)慣量小導(dǎo)致的時(shí)延影響過大等問題，設(shè)計(jì)了基于干擾力矩快速辨識(shí)和實(shí)時(shí)前饋補(bǔ)償?shù)淖藨B(tài)控制算法，實(shí)現(xiàn)了快速時(shí)變大干擾下的魯棒快速跟蹤控制，提高了觸火的速度和姿態(tài)控制精度。針對(duì)著陸巡視器姿控推力器配置多、可靠性要求高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于干擾力和干擾力矩快速辨識(shí)的推力器故障快速診斷和重構(gòu)算法，實(shí)現(xiàn)了推力器出現(xiàn)故障情況下的高容錯(cuò)控制，顯著提高了姿態(tài)控制的魯棒性。

4）EDL過程GNC高置信度仿真驗(yàn)證技術(shù)?；鹦荅DL過程環(huán)境復(fù)雜、不確定性大，動(dòng)作、環(huán)節(jié)和時(shí)序多，推力器噴流效率和羽流干擾等影響復(fù)雜，地面無法直接全物理試驗(yàn)驗(yàn)證和評(píng)估。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)構(gòu)建了多時(shí)序高置信度火星EDL過程GNC仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，突破了火星EDL過程的變質(zhì)量變結(jié)構(gòu)多體耦合動(dòng)力學(xué)建模及解算、仿真試驗(yàn)環(huán)境及指標(biāo)體系設(shè)計(jì)，以及基于仿真置信度的在軌性能評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了火星EDL過程GNC系統(tǒng)高置信度的全面仿真驗(yàn)證評(píng)估。

4 實(shí)際飛行情況

2021年5月15日凌晨1時(shí)許，天問一號(hào)探測器在停泊軌道實(shí)施降軌，機(jī)動(dòng)至火星進(jìn)入軌道。4時(shí)許，著陸巡視器與環(huán)繞器分離，歷經(jīng)約3h飛行后，到達(dá)火星EDL過程大氣進(jìn)入點(diǎn)，經(jīng)過約9min的氣動(dòng)減速、傘降減速、動(dòng)力減速和著陸緩沖，于7時(shí)18分成功軟著陸于火星烏托邦平原南部的目標(biāo)著陸區(qū)，著陸精度3.1km×0.2km。

氣動(dòng)減速段

通過事后處理延遲遙測數(shù)據(jù)可知，EDL過程飛行時(shí)間共537s，其中氣動(dòng)減速段279s，傘降減速段168s，動(dòng)力減速段90s。氣動(dòng)減速段從大氣進(jìn)入點(diǎn)開始，攻角配平段飛行了68s，著陸巡視器高度降至約63km，馬赫數(shù)為24，阻力加速度增大至1.96m/s2。轉(zhuǎn)入升力控制段后，采用多約束下的大氣進(jìn)入自適應(yīng)規(guī)劃與制導(dǎo)算法，通過傾側(cè)角控制改變氣動(dòng)力在軌道平面內(nèi)的分量，來控制飛行航程和橫向航程，保證了著陸巡視器到達(dá)預(yù)定著陸區(qū)；氣動(dòng)減速至馬赫數(shù)為2.8時(shí)，發(fā)出了配平翼展開指令；配平翼展開后，著陸巡視器總攻角迅速減小至0o附近，為降落傘打開創(chuàng)造了極為有利的條件。

傘降減速段

當(dāng)馬赫數(shù)小于1.8時(shí)，降落傘打開指令發(fā)出，進(jìn)入傘降減速段，此時(shí)高度約為13km；降落傘打開后，速度急劇減小，20s后，馬赫數(shù)降至0.5左右，發(fā)出了拋大底指令。拋大底后10s著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開，隨后測距測速敏感器開始工作，引入了相對(duì)火星表面實(shí)際地形的距離和速度測量信息，對(duì)慣性導(dǎo)航進(jìn)行了高度和速度修正，顯著提高了導(dǎo)航高度和速度的估計(jì)精度。環(huán)境不確定性和傘降過程的大動(dòng)態(tài)飛行過程，極大地考驗(yàn)了導(dǎo)航敏感器和導(dǎo)航方案算法，依賴大動(dòng)態(tài)環(huán)境下的高容錯(cuò)自主導(dǎo)航技術(shù)，GNC分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度的姿態(tài)、高度和速度確定。

天問一號(hào)EDL過程高度馬赫數(shù)隨時(shí)間變化曲線

天問一號(hào)環(huán)繞器拍攝的實(shí)際著陸區(qū)圖像（傘-背罩組合體規(guī)避效果）

動(dòng)力下降段

當(dāng)高度降至約1.3km、馬赫數(shù)約為0.25時(shí)，傘-背罩組合體與著陸平臺(tái)分離，動(dòng)力減速段開始；隨后光學(xué)成像敏感器獲取了著陸區(qū)圖像，并基于傘-背罩組合體規(guī)避的約束給出了安全著陸點(diǎn)。傘-背罩組合體與著陸平臺(tái)分離后1s，7500N主發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火，根據(jù)多約束一體化自適應(yīng)規(guī)劃與控制策略，著陸平臺(tái)進(jìn)一步減速，同時(shí)進(jìn)行了傘-背罩組合體和障礙規(guī)避機(jī)動(dòng)，期間依靠推力指向與滾動(dòng)姿態(tài)解耦與分區(qū)姿態(tài)規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了制導(dǎo)指令（推力方向）的快速跟蹤。當(dāng)高度降至約100m時(shí)，著陸平臺(tái)保持懸停狀態(tài)，避障敏感器獲取了著陸區(qū)三維地形數(shù)據(jù)，處理后確定了最終安全著陸點(diǎn)；轉(zhuǎn)入避障機(jī)動(dòng)段，利用水平推力器實(shí)現(xiàn)了精避障機(jī)動(dòng)，到達(dá)最終著陸點(diǎn)上方，垂向速度減至約1.5m/s，消除水平速度，高度降至約20m；轉(zhuǎn)入緩速下降段，著陸平臺(tái)以約1.5m/s垂向速度緩速下降，繼續(xù)消除水平速度，保持姿態(tài)垂直火星表面，直到2個(gè)及以上觸火敏感器有效，關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機(jī)。動(dòng)力下降過程，基于干擾力矩快速辨識(shí)和實(shí)時(shí)前饋補(bǔ)償?shù)淖藨B(tài)控制算法，提高了著陸平臺(tái)觸火的速度和姿態(tài)控制精度，確保最終著陸狀態(tài)的水平速度小于0.16m/s，姿態(tài)誤差小于0.1o。

5 總結(jié)

根據(jù)實(shí)際飛行數(shù)據(jù)分析以及著陸后祝融號(hào)火星車和環(huán)繞器拍攝的圖像顯示，天問一號(hào)實(shí)施的我國首次火星著陸任務(wù)堪稱完美。EDL過程GNC關(guān)鍵技術(shù)在天問一號(hào)成功著陸火星表面任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為我國首次火星探測任務(wù)著陸火星圓滿成功作出了突出的貢獻(xiàn)。展望未來，隨著我國深空探測任務(wù)的持續(xù)推進(jìn)，我國將陸續(xù)開展火星采樣返回、木星系和金星等探測任務(wù)，火星EDL過程GNC關(guān)鍵技術(shù)將有力地支撐這些任務(wù)的實(shí)施。

祝融號(hào)火星車拍攝的實(shí)際著陸點(diǎn)圖像（精避障效果）