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书名：火星探测器进入、下降与着陆过程的导航、制导与控制——“恐怖七分钟”
定价：170.0
ISBN：9787030551276
作者：夏元清
版次：1
出版时间：2018-01
内容提要：
本书以深空探测的重要研究领域——火星探测为研究背景，对火星探测任务中探测器进入、下降和着陆过程（EDL过程）中的导航、制导与控制问题进行了详细研究，系统提出探测器在经历火星大气层“恐怖”七分钟后能够精确着陆火星表面的理论与方法。全书共九章：第1章为绪论，阐述了火星探测的研究意义及存在的问题；第2章建立了火星EDL过程中的动力学模型；第3章至第5章分别分析与研究了进入过程中的“黑障”现象、导航策略和制导方案；第6章对火星探测器伞降段进行了研究，建立了物伞系统六自由度模型；第7章提出的*优制导律显著提高了探测器动力下降段的着陆精度；第8章分析火星探测器着陆段的图像特征识别、匹配与路径规划问题；在前面章节的基础上，第9章对整个EDL过程进行虚拟仿真实现。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景及意义 2
1.2.1 研究背景 2
1.2.2 研究意义 3
1.3 火星探测器进入、下降与着陆过程 4
1.4 EDL各阶段研究现状及存在问题 11
1.4.1 进入段研究现状和存在问题 11
1.4.2 伞降段研究现状和存在问题 18
1.4.3 动力下降段研究现状和存在问题 22
1.4.4 着陆段研究现状和存在问题 22
1.5 本书结构 23
第2章 火星探测器EDL过程动力学模型 25
2.1 引言 25
2.2 EDL过程坐标系、旋转矩阵 25
2.3 火星基本环境参数 29
2.4 “好奇号”探测器模型 30
2.4.1 进入段三自由度动力学模型 32
2.4.2 进入段六自由度动力学模型 35
2.5 进入段相关参数 36
2.6 进入段导航测量模型 37
2.6.1 IMU测量模型 38
2.6.2 火星轨道器观测模型 39
2.6.3 火星表面信标测量模型 41
2.7 伞降段开伞条件的确定 42
2.8 动力下降段模型 43
2.9 着陆段模型 45
2.10 本章总结 45
第3章 火星探测器进入段通信黑障问题研究 46
3.1 通信黑障问题研究 46
3.1.1 黑障形成过程 46
3.1.2 黑障成因分析 47
3.1.3 黑障区间估计 48
3.1.4 通信黑障仿真 50
3.2 无线衰落信道下探测器导航滤波算法 52
3.2.1 进入段无线衰落信道统计特性 52
3.2.2 无线空间通信信道建模 53
3.2.3 等离子体信道建模 54
3.2.4 通信间歇观测 55
3.3 信号衰落下进入段导航算法 56
3.4 无线衰落条件下导航滤波仿真 58
3.4.1 仿真初始条件 58
3.4.2 IMU和无线电组合导航 61
3.5 本章总结 63
第4章 火星探测器进入段导航策略问题研究 64
4.1 观测模型 64
4.2 进入段导航策略仿真 64
4.3 进入段组合导航方案的可观性分析 69
4.3.1 基于观测矩阵条件数的可观性分析 70
4.3.2 状态可估计性分析 71
4.3.3 导航方案的数值仿真和分析 71
4.4 进入段不确定参数下的弱敏感导航滤波算法 76
4.4.1 弱敏感滤波算法设计 77
4.4.2 数值仿真和分析 79
4.5 迸入段不确定参数和未知扰动下的新型自适应插值滤波算法 85
4.5.1 普通的插值滤波算法 86
4.5.2 新型的自适应插值滤波算法 89
4.5.3 火星进入导航系统数值仿真和分析 92
4.5.4 紧耦合非线性随机系统数值仿真和分析 96
4.6 进入段状态模型偏差和测量异常值下的自适应胡贝尔插值滤波算法 98
4.6.1 胡贝尔插值滤波算法和自适应胡贝尔插值滤波算法的引出过程 99
4.6.2 胡贝尔插值滤波算法和自适应胡贝尔插值滤波算法的执行过程 102
4.6.3 数值仿真和分析 105
4.7 本章总结 108
第5章 火星探测器大气进入段制导与控制问题研究 110
5.1 基于自抗扰的阻力跟踪制导控制 110
5.1.1 自抗扰控制技术 111
5.1.2 标称轨迹和控制律的设计 115
5.1.3 自抗扰跟踪控制律设计 118
5.1.4 仿真结果和分析 119
5.2 基于滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 123
5.2.1 问题描述 123
5.2.2 主要结果 124
5.2.3 仿真与分析 127
5.3 基于高阶滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 135
5.3.1 问题描述 135
5.3.2 主要结果 137
5.3.3 仿真与分析 141
5.4 基于非奇异全阶滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 149
5.4.1 问题描述 150
5.4.2 主要结果 150
5.4.3 仿真与分析 155
5.5 基于预测校正算法的进入段制导与控制问题研究 164
5.5.1 纵向预测校正算法 165
5.5.2 航向调整 168
5.5.3 改进的预测校正算法 169
5.5.4 仿真结果 169
5.6 本章总结 173
第6章 火星探测器伞降段建模与稳定性问题研究 175
6.1 附加质量问题研究 175
6.1.1 流体运动学方程 175
6.1.2 物伞系统在流体中运动时的数学方程 176
6.1.3 物体在无穷域中适动时的“附加质量” 177
6.1.4 物伞系统“附加质量”矩阵研究 181
6.2 物伞系统开伞阶段研究 184
6.2.1 降落伞充气过程的分析与建模 184
6.2.2 仿真验证 188
6.3 物伞系统六自由度数学模型和稳定性分析 191
6.3.1 物伞系统六自由数学模型的建立与分析 191
6.3.2 物伞系统稳定性分析 194
6.3.3 系统仿真 198
6.4 本章总结 201
第7章 火星探测器动力下降段反馈制导问题研究 203
7.1 动力下降段模型和约束 204
7.2 ZEM/ZEV 204
7.3 改进的ZEM/ZEV*优反馈制导律设计 205
7.4 蒙特卡罗仿真 208
7.5 本章总结 211
第8章 火星探测器着陆段视觉导航问题研究 212
8.1 图像预处理 212
8.1.1 噪声处理 213
8.1.2 边缘检测 213
8.1.3 霍夫变换 214
8.1.4 陨石坑区域提取 215
8.2 图像特征提取与匹配算法 216
8.2.1 SIFT算法 216
8.2.2 ASIFT算法 222
8.3 基于陨石坑拟合椭圆的着陆器位姿估计算法 224
8.3.1 坐标系确立 224
8.3.2 运动约束方程建立 225
8.3.3 位姿估计 226
8.3.4 仿真及结果分析 227
8.4 基于卷积神经网络的火星探测器路径规划算法 233
8.4.1 问题描述 233
8.4.2 火星图像预处理 234
8.4.3 卷积神经网络模型 235
8.4.4 训练数据与结果 236
8.5 本章总结 237
第9章 火星探测器EDL过程Unity3D仿真实现 238
9.1 虚拟物体的建模 238
9.1.1 火星探测器的模型 238
9.1.2 火星降落伞的模型 240
9.1.3 火星大气环境模型 241
9.2 进入段仿真平台的搭建 241
9.2.1 ADRC制导方法的仿真实现 242
9.2.2 UDP传输接口设计 242
9.2.3 Unity3D界面设计 243
9.3 伞降段仿真平台的搭建 243
9.3.1 开伞过程的导入设计 243
9.3.2 稳定下降段界面设计与程序调试 243
9.4 动力下降段与着陆段仿真平台的搭建 244
9.5 EDL过程仿真平台搭建 245
9.6 本章总结 246
参考文献 247
在线试读：
第1章 绪论
1.1 引言
认识太空、探索宇宙，自古以来就是人类的不懈追求。1957年，苏联发射了**颗人造地球卫星，一年后人类开始尝试发射月球探测器，踏上了深空探测的征程。深空探测是人类航天活动的重要组成部分，是继近地卫星、载人航天之后又一新的航天发展领域，是对月球及月球以外的天体和空间的探测活动，它能帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状，认识地球环境的形成和演变，以及寻找地外生命和研究生命的起源。
火星，是运行在太阳系内第四轨道的行星，也是地球外围轨道*靠近地球的行星，因而也是有文字记载以来人类*关注的星体之一，因为呈火红色，中国古代将其称为“荧惑”，西方则将其称为“战神”（Mars）。太阳系和火星如图1.1所示，火星*早的观测记录可以追溯到公元前三四世纪的战国时期，中国的两位天文学家测定了火星的公转周期为668.49天，是世界上*早的火星观测活动。近代火星探测则从19世纪60年代人类发射**个火星探测器开始，如何将设备以及人员送上火星，对火星的天文学特征、土壤和岩石的成分与分布进行分析，将结果传回或者将样本带回地球，航天员安全去与回的探测方式逐渐成为火星探测的研究热魚。20世纪60-～80年代，苏联和美国总共进行了25次火星探测任务。其间，苏联发射了火星系列探测器，美国发射了“水手”（Mariner）系列探测器以及“海盗”（Viking）号、2号火星着陆探测器。进入21世纪后，人类探索火星的步伐明显加快，成功率也得到了较大的提高。美国发射了包括火星“奥德赛号”（Mars Odyssey）轨道器、“勇气号”（Spirit）和“机遇号”（Opportunity）火星漫游车、“火星勘测号”（Mars Reconnaissance Orbiter）轨道器、“凤凰号”（Phoenix）着陆器（图1.2），以及“火星科学实验室”（Mars Science Lab）漫游车（又称“好奇号”），均获得了成功。欧洲航天局发射了“火星快车”（Mars Express）轨道器，印度发射了“曼加里安号”火星探测器。这些探测活动大大加深了人类对火星的认识，同时带动了空间能源、人工智能、深空探测等一系列高新技术的发展。
图1.1 太阳系示意图和火星示意图
图1.2 “凤凰号”着陆器
1.2 研究背景及意义
1.2.1 研究背景
火星，作为位于地球轨道外侧*近的一颗行星，是太阳系中*近似于地球的天体，被称为地球的“姊妹星”。对火星的探索有利于探索天体的演化过程，从而对地球进行有效的保护，更能探索地外生命的起源、地外资源、能源和特殊环境的利用等。长久以来，科学家一直致力于探索火星的天文学特征、大气层与电离层、火星地质学、磁场和引力场等问题。考虑到未来载人火星探测任务，*关键的问題是研究火星上的生命。因此，火星是否存在或者曾经存在过生命？以及人类能否移居火星？这些都是涉及人类未来的基础性问题。
火星探测，是一个国家政治、经济和科技实力的综合表现。西方国家依靠其在航天航空科技方面的优势，很早就开始了对火星的探测。美国在1964年就已经开始了对火星的探索，发射了**个火星表面探测器“海盗号”，又成功着陆“勇气号”“机遇号”“凤凰号”等探测器。现阶段及未来的火星探测计划主要集中于火星近表面环境或者火星表面环境的探测。2012年8月6日，美国花费25亿美元的首辆核能火星车“好奇号”成功着陆于火星表面。2010年，美国时任总统奥巴马提出开展机器人火星探测计划，并计划在未来25年内完成载人火星探测的使命。欧洲空间局在21世纪初制订了曙光计划，该计划将执行一系列火星探测任务，包括发射地外火星漫游器（exobiology on Mars，ExoMars）、火星采样返回探测器（Mars sample return，MSR）等，并*终实现载人火星探测目标。2007年，俄罗斯启动了“火星500”试验项目，这项试验深入研究了前往火星探测的宇航员的生理和心理状态，为未来载人火星探测积累科学数据。俄罗斯于2011年发射“福布斯号”探测器，本来计划软着陆于“火卫一”上，因主动推进装置未能点火而变轨失败。2014年，印度“曼加里安号”火星探测器成功进入火星轨道，拉开了亚洲国家火星探测的序幕。2016年3月14日，欧洲空间局和俄罗斯联邦航天局联合研制的“ExoMars 2016”火星探测器搭乘俄罗斯的“质子”号火箭，从位于哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场升空，于10月19日14时42分进入火星的大气层。但是由于探测器在大气进人和伞降过程中缺乏在线故障检测、隔离和恢复能力，探测器*终以极高的速度撞毁于火星表面。
随着我国经济实力的不断增长，对火星的探测任务也已提上日程。2016年1月，我国**火星探测任务已经批准立项，并预计在“十三五”规划的*后一年，即2020年，发射我国首颗火星探测卫星；预计在2025～2030年先后进行木星探测和火星取样返回探测的任务，以提升我国的航天竞争力和国际地位。2017年初出版的《2016中国的航天》白皮书中提出，中国未来深空探测工程还将实施四次重大任务：一是2020年左右发射**火星探测器，按照一步实现“绕、落、巡”开展火星探测；二是实施第二次火星探测任务，进行火星表面采样返回，开展火星构造、物质成分、火星环境等科学分析与研究；三是进行一次小行星探测；四是规划一次木星和行星的探测。
1.2.2 研究意义
截至2016年6月，人类总共进行了40余次火星探测任务，其中仅有20次获得成功或取得部分成功，已经成功的20次科学考察为人们认识火星的大气环境、自然条件、火星表面物质组成和地理地貌提供了科学依据，为人类登陆火星实地考察提供了大量信息；在15次的登陆任务中，仅7次成功着陆火星表面，火星探测所面临的挑战远大于近地卫星以及载人航天活动。首先，火星与地球*近距离为5000万km，*远距离为4亿km，这就意味着火星与地球之间的通信有超过20min的时延；其次，来回的总飞行时间超过一年，这对星际航行和生命保障技术是一个严峻的挑战吼*后，火星探测器受质量约束，探测器携带的通信设备能力有限，这就导致信息的保真性以及信息的顺利传送很难得到保证。
到目前为止，火星探测主要经历了三个阶段：飞越、环绕火星飞行以及在火星表面着陆，其中*具有科学价值的为在火星表面着陆。火星探测软着陆是进行火星表面环境、土壤化学分析以及有关火星物理研究等必须解决的一项技术，同时也是将来进行采样返回和载人探测、建立火星基地、向火星索取资源或移居，实现人类探测火星的*终目的所必须解决的一项科学难题。
未来的火星探测任务要求探测器具有在具有较高科学价值的特定区域精确着陆的能力。这就对探测器着陆区域的精度有一定的要求，同时火星探测器在到达进入点之后受到火星大气模型不确定、气动环境复杂、强非线性、强耦合等问题的影响，使得着陆精度产生很大的偏差。因此，为了完成未来火星探测任务精确着陆的需求，需要对火星探测过程中的各个阶段进行深入分析，并研究在多约束条件下的火星探测器在进入大气后的快速、精确导航制导技术，从而实现精确软着陆，这是目前国内外火星探测任务正致力解决的关键问题之一。
1.3 火星探测器进入、下降与着陆过程
由于探测器在进入火星大气之前具有极快的速度，因此要实现探测器的减速与精确着陆就必须经历大气进入、下降（包含伞降段和动力下降段）以及*终着陆（entry，descent and landing，EDL）过程。EDL过程虽然短暂，但却是整个火星探测任务中*为重要和关键的部分之一，其开始于着陆器以4～7 km／s的速度撞击火星大气层顶，逐渐减速降落，以着陆器安全着陆于火星地表为结束标志，整个过程如图1.3所示。表1.1展示了以往成功着陆于火星表面的7个探测器的各项参数和性能指标。
1．进入段
探测器进入火星大气层的场景向人们展示了一幅空间时代的经典画面：一个密封舱被一团火球包围着，如闪电般穿过天空。进入段一般始于着陆器接触火星大气层顶（高度125km，速度4～7km／s），结束于降落伞完全打开。整个过程仅利用火昼大气进行减速，消耗掉99%的动能，将速度减到合适的开伞条件高度（6～10km，速度2Ma左右，压强300～800Pa），其问，经历制动过载、动压峰值，同时产生大量的气动热，是整个EDL过程中气动环境*恶劣，也是*重要的阶段。
图1.3 火星EDL过程
表1.1 成功着陆火星表面任务的EDL总结
由于火星大气密度非常稀薄，仅为地球的1％，在进入段过程中，探测器仅依靠自己的气动外形进行减速，相比地球上的探测器，需要飞行在更低的高度才能达到所需的减速效果。这也就意味着，适合开伞的高度也相对较低，留给接下来的伞降段以及*终着陆段的时间变少，可能导致着陆器没有充足的着陆准备时间。同时，火星探测器在大气的作用下将急剧减速，会产生严重的气动热。因而合适的气动外形是确保火星探测器安全通过进入段的高速高温飞行区，并*终实现火星软着陆的重要保障。
火星探测器的进入段气动外形必须能够同时满足两个条件，即能提供较高的阻力系数，同时具有较好的防热性能。目前成功着陆于火星地表的着陆器的进入段气动外形都借鉴了“海盗号”的成功经验，均采用70度半锥角的大钝头球锥形的外形设计（其零攻角的阻力系数为1.68），如图1.4所示。该结构设计提高了进入探测器的阻力面积，充分发挥了自身气动阻力的减速作用，同时相比于细长物体，钝头物的进入能量耗散在一个空气质量较大的空间中，有效抵消了高超声物体承受的热负荷。
图1.4 大钝头锥形气动外形
2．下降段
下降段，分为伞降段和动力下降段。其中伞降段为无控过程，即当探测器的速度与高度降低到一定程度后，通过降落伞的打开进一步消耗探测器的动能。降落伞是航天器减速着陆系统*常见的减速装置之一，目前成功实施的无人火星探测任务都采用了超声速伞减速技术。之所以使用降落伞进行减速，除了其具有较高的安全可靠性，还因为降落伞质量较轻、制作加工的成本低廉、便于携带。进入21世纪后，随着运载火箭、高超声速飞行器和航天器返回技术的快速发展以及柔性减速材料研究的不断深入，降落伞的应用领域不断扩大。与地球大气相比，火星大气十分稀薄，表面大气密度仅为地球的1％；尽管如此，依靠高分子材料制作而成的特殊形状减速伞依然是探测器能够安全到达火星表面的*有效方法。另外，由于火星大气比较稀薄，降落伞材料、形状和参数的选取都将与着陆于地面的返回舱所用的降落伞有较大差异，因此通过使用降落伞装置进行减速从而实现探测器在火星表面安全着陆是一项极具难度和复杂性的设计任务。
考虑到火星稀薄的大气密度，在地球大气中能正常工作的超声速伞在火星大气中就可
定价：170.0
ISBN：9787030551276
作者：夏元清
版次：1
出版时间：2018-01
内容提要：
本书以深空探测的重要研究领域——火星探测为研究背景，对火星探测任务中探测器进入、下降和着陆过程（EDL过程）中的导航、制导与控制问题进行了详细研究，系统提出探测器在经历火星大气层“恐怖”七分钟后能够精确着陆火星表面的理论与方法。全书共九章：第1章为绪论，阐述了火星探测的研究意义及存在的问题；第2章建立了火星EDL过程中的动力学模型；第3章至第5章分别分析与研究了进入过程中的“黑障”现象、导航策略和制导方案；第6章对火星探测器伞降段进行了研究，建立了物伞系统六自由度模型；第7章提出的*优制导律显著提高了探测器动力下降段的着陆精度；第8章分析火星探测器着陆段的图像特征识别、匹配与路径规划问题；在前面章节的基础上，第9章对整个EDL过程进行虚拟仿真实现。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景及意义 2
1.2.1 研究背景 2
1.2.2 研究意义 3
1.3 火星探测器进入、下降与着陆过程 4
1.4 EDL各阶段研究现状及存在问题 11
1.4.1 进入段研究现状和存在问题 11
1.4.2 伞降段研究现状和存在问题 18
1.4.3 动力下降段研究现状和存在问题 22
1.4.4 着陆段研究现状和存在问题 22
1.5 本书结构 23
第2章 火星探测器EDL过程动力学模型 25
2.1 引言 25
2.2 EDL过程坐标系、旋转矩阵 25
2.3 火星基本环境参数 29
2.4 “好奇号”探测器模型 30
2.4.1 进入段三自由度动力学模型 32
2.4.2 进入段六自由度动力学模型 35
2.5 进入段相关参数 36
2.6 进入段导航测量模型 37
2.6.1 IMU测量模型 38
2.6.2 火星轨道器观测模型 39
2.6.3 火星表面信标测量模型 41
2.7 伞降段开伞条件的确定 42
2.8 动力下降段模型 43
2.9 着陆段模型 45
2.10 本章总结 45
第3章 火星探测器进入段通信黑障问题研究 46
3.1 通信黑障问题研究 46
3.1.1 黑障形成过程 46
3.1.2 黑障成因分析 47
3.1.3 黑障区间估计 48
3.1.4 通信黑障仿真 50
3.2 无线衰落信道下探测器导航滤波算法 52
3.2.1 进入段无线衰落信道统计特性 52
3.2.2 无线空间通信信道建模 53
3.2.3 等离子体信道建模 54
3.2.4 通信间歇观测 55
3.3 信号衰落下进入段导航算法 56
3.4 无线衰落条件下导航滤波仿真 58
3.4.1 仿真初始条件 58
3.4.2 IMU和无线电组合导航 61
3.5 本章总结 63
第4章 火星探测器进入段导航策略问题研究 64
4.1 观测模型 64
4.2 进入段导航策略仿真 64
4.3 进入段组合导航方案的可观性分析 69
4.3.1 基于观测矩阵条件数的可观性分析 70
4.3.2 状态可估计性分析 71
4.3.3 导航方案的数值仿真和分析 71
4.4 进入段不确定参数下的弱敏感导航滤波算法 76
4.4.1 弱敏感滤波算法设计 77
4.4.2 数值仿真和分析 79
4.5 迸入段不确定参数和未知扰动下的新型自适应插值滤波算法 85
4.5.1 普通的插值滤波算法 86
4.5.2 新型的自适应插值滤波算法 89
4.5.3 火星进入导航系统数值仿真和分析 92
4.5.4 紧耦合非线性随机系统数值仿真和分析 96
4.6 进入段状态模型偏差和测量异常值下的自适应胡贝尔插值滤波算法 98
4.6.1 胡贝尔插值滤波算法和自适应胡贝尔插值滤波算法的引出过程 99
4.6.2 胡贝尔插值滤波算法和自适应胡贝尔插值滤波算法的执行过程 102
4.6.3 数值仿真和分析 105
4.7 本章总结 108
第5章 火星探测器大气进入段制导与控制问题研究 110
5.1 基于自抗扰的阻力跟踪制导控制 110
5.1.1 自抗扰控制技术 111
5.1.2 标称轨迹和控制律的设计 115
5.1.3 自抗扰跟踪控制律设计 118
5.1.4 仿真结果和分析 119
5.2 基于滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 123
5.2.1 问题描述 123
5.2.2 主要结果 124
5.2.3 仿真与分析 127
5.3 基于高阶滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 135
5.3.1 问题描述 135
5.3.2 主要结果 137
5.3.3 仿真与分析 141
5.4 基于非奇异全阶滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 149
5.4.1 问题描述 150
5.4.2 主要结果 150
5.4.3 仿真与分析 155
5.5 基于预测校正算法的进入段制导与控制问题研究 164
5.5.1 纵向预测校正算法 165
5.5.2 航向调整 168
5.5.3 改进的预测校正算法 169
5.5.4 仿真结果 169
5.6 本章总结 173
第6章 火星探测器伞降段建模与稳定性问题研究 175
6.1 附加质量问题研究 175
6.1.1 流体运动学方程 175
6.1.2 物伞系统在流体中运动时的数学方程 176
6.1.3 物体在无穷域中适动时的“附加质量” 177
6.1.4 物伞系统“附加质量”矩阵研究 181
6.2 物伞系统开伞阶段研究 184
6.2.1 降落伞充气过程的分析与建模 184
6.2.2 仿真验证 188
6.3 物伞系统六自由度数学模型和稳定性分析 191
6.3.1 物伞系统六自由数学模型的建立与分析 191
6.3.2 物伞系统稳定性分析 194
6.3.3 系统仿真 198
6.4 本章总结 201
第7章 火星探测器动力下降段反馈制导问题研究 203
7.1 动力下降段模型和约束 204
7.2 ZEM/ZEV 204
7.3 改进的ZEM/ZEV*优反馈制导律设计 205
7.4 蒙特卡罗仿真 208
7.5 本章总结 211
第8章 火星探测器着陆段视觉导航问题研究 212
8.1 图像预处理 212
8.1.1 噪声处理 213
8.1.2 边缘检测 213
8.1.3 霍夫变换 214
8.1.4 陨石坑区域提取 215
8.2 图像特征提取与匹配算法 216
8.2.1 SIFT算法 216
8.2.2 ASIFT算法 222
8.3 基于陨石坑拟合椭圆的着陆器位姿估计算法 224
8.3.1 坐标系确立 224
8.3.2 运动约束方程建立 225
8.3.3 位姿估计 226
8.3.4 仿真及结果分析 227
8.4 基于卷积神经网络的火星探测器路径规划算法 233
8.4.1 问题描述 233
8.4.2 火星图像预处理 234
8.4.3 卷积神经网络模型 235
8.4.4 训练数据与结果 236
8.5 本章总结 237
第9章 火星探测器EDL过程Unity3D仿真实现 238
9.1 虚拟物体的建模 238
9.1.1 火星探测器的模型 238
9.1.2 火星降落伞的模型 240
9.1.3 火星大气环境模型 241
9.2 进入段仿真平台的搭建 241
9.2.1 ADRC制导方法的仿真实现 242
9.2.2 UDP传输接口设计 242
9.2.3 Unity3D界面设计 243
9.3 伞降段仿真平台的搭建 243
9.3.1 开伞过程的导入设计 243
9.3.2 稳定下降段界面设计与程序调试 243
9.4 动力下降段与着陆段仿真平台的搭建 244
9.5 EDL过程仿真平台搭建 245
9.6 本章总结 246
参考文献 247
在线试读：
第1章 绪论
1.1 引言
认识太空、探索宇宙，自古以来就是人类的不懈追求。1957年，苏联发射了**颗人造地球卫星，一年后人类开始尝试发射月球探测器，踏上了深空探测的征程。深空探测是人类航天活动的重要组成部分，是继近地卫星、载人航天之后又一新的航天发展领域，是对月球及月球以外的天体和空间的探测活动，它能帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状，认识地球环境的形成和演变，以及寻找地外生命和研究生命的起源。
火星，是运行在太阳系内第四轨道的行星，也是地球外围轨道*靠近地球的行星，因而也是有文字记载以来人类*关注的星体之一，因为呈火红色，中国古代将其称为“荧惑”，西方则将其称为“战神”（Mars）。太阳系和火星如图1.1所示，火星*早的观测记录可以追溯到公元前三四世纪的战国时期，中国的两位天文学家测定了火星的公转周期为668.49天，是世界上*早的火星观测活动。近代火星探测则从19世纪60年代人类发射**个火星探测器开始，如何将设备以及人员送上火星，对火星的天文学特征、土壤和岩石的成分与分布进行分析，将结果传回或者将样本带回地球，航天员安全去与回的探测方式逐渐成为火星探测的研究热魚。20世纪60-～80年代，苏联和美国总共进行了25次火星探测任务。其间，苏联发射了火星系列探测器，美国发射了“水手”（Mariner）系列探测器以及“海盗”（Viking）号、2号火星着陆探测器。进入21世纪后，人类探索火星的步伐明显加快，成功率也得到了较大的提高。美国发射了包括火星“奥德赛号”（Mars Odyssey）轨道器、“勇气号”（Spirit）和“机遇号”（Opportunity）火星漫游车、“火星勘测号”（Mars Reconnaissance Orbiter）轨道器、“凤凰号”（Phoenix）着陆器（图1.2），以及“火星科学实验室”（Mars Science Lab）漫游车（又称“好奇号”），均获得了成功。欧洲航天局发射了“火星快车”（Mars Express）轨道器，印度发射了“曼加里安号”火星探测器。这些探测活动大大加深了人类对火星的认识，同时带动了空间能源、人工智能、深空探测等一系列高新技术的发展。
图1.1 太阳系示意图和火星示意图
图1.2 “凤凰号”着陆器
1.2 研究背景及意义
1.2.1 研究背景
火星，作为位于地球轨道外侧*近的一颗行星，是太阳系中*近似于地球的天体，被称为地球的“姊妹星”。对火星的探索有利于探索天体的演化过程，从而对地球进行有效的保护，更能探索地外生命的起源、地外资源、能源和特殊环境的利用等。长久以来，科学家一直致力于探索火星的天文学特征、大气层与电离层、火星地质学、磁场和引力场等问题。考虑到未来载人火星探测任务，*关键的问題是研究火星上的生命。因此，火星是否存在或者曾经存在过生命？以及人类能否移居火星？这些都是涉及人类未来的基础性问题。
火星探测，是一个国家政治、经济和科技实力的综合表现。西方国家依靠其在航天航空科技方面的优势，很早就开始了对火星的探测。美国在1964年就已经开始了对火星的探索，发射了**个火星表面探测器“海盗号”，又成功着陆“勇气号”“机遇号”“凤凰号”等探测器。现阶段及未来的火星探测计划主要集中于火星近表面环境或者火星表面环境的探测。2012年8月6日，美国花费25亿美元的首辆核能火星车“好奇号”成功着陆于火星表面。2010年，美国时任总统奥巴马提出开展机器人火星探测计划，并计划在未来25年内完成载人火星探测的使命。欧洲空间局在21世纪初制订了曙光计划，该计划将执行一系列火星探测任务，包括发射地外火星漫游器（exobiology on Mars，ExoMars）、火星采样返回探测器（Mars sample return，MSR）等，并*终实现载人火星探测目标。2007年，俄罗斯启动了“火星500”试验项目，这项试验深入研究了前往火星探测的宇航员的生理和心理状态，为未来载人火星探测积累科学数据。俄罗斯于2011年发射“福布斯号”探测器，本来计划软着陆于“火卫一”上，因主动推进装置未能点火而变轨失败。2014年，印度“曼加里安号”火星探测器成功进入火星轨道，拉开了亚洲国家火星探测的序幕。2016年3月14日，欧洲空间局和俄罗斯联邦航天局联合研制的“ExoMars 2016”火星探测器搭乘俄罗斯的“质子”号火箭，从位于哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场升空，于10月19日14时42分进入火星的大气层。但是由于探测器在大气进人和伞降过程中缺乏在线故障检测、隔离和恢复能力，探测器*终以极高的速度撞毁于火星表面。
随着我国经济实力的不断增长，对火星的探测任务也已提上日程。2016年1月，我国**火星探测任务已经批准立项，并预计在“十三五”规划的*后一年，即2020年，发射我国首颗火星探测卫星；预计在2025～2030年先后进行木星探测和火星取样返回探测的任务，以提升我国的航天竞争力和国际地位。2017年初出版的《2016中国的航天》白皮书中提出，中国未来深空探测工程还将实施四次重大任务：一是2020年左右发射**火星探测器，按照一步实现“绕、落、巡”开展火星探测；二是实施第二次火星探测任务，进行火星表面采样返回，开展火星构造、物质成分、火星环境等科学分析与研究；三是进行一次小行星探测；四是规划一次木星和行星的探测。
1.2.2 研究意义
截至2016年6月，人类总共进行了40余次火星探测任务，其中仅有20次获得成功或取得部分成功，已经成功的20次科学考察为人们认识火星的大气环境、自然条件、火星表面物质组成和地理地貌提供了科学依据，为人类登陆火星实地考察提供了大量信息；在15次的登陆任务中，仅7次成功着陆火星表面，火星探测所面临的挑战远大于近地卫星以及载人航天活动。首先，火星与地球*近距离为5000万km，*远距离为4亿km，这就意味着火星与地球之间的通信有超过20min的时延；其次，来回的总飞行时间超过一年，这对星际航行和生命保障技术是一个严峻的挑战吼*后，火星探测器受质量约束，探测器携带的通信设备能力有限，这就导致信息的保真性以及信息的顺利传送很难得到保证。
到目前为止，火星探测主要经历了三个阶段：飞越、环绕火星飞行以及在火星表面着陆，其中*具有科学价值的为在火星表面着陆。火星探测软着陆是进行火星表面环境、土壤化学分析以及有关火星物理研究等必须解决的一项技术，同时也是将来进行采样返回和载人探测、建立火星基地、向火星索取资源或移居，实现人类探测火星的*终目的所必须解决的一项科学难题。
未来的火星探测任务要求探测器具有在具有较高科学价值的特定区域精确着陆的能力。这就对探测器着陆区域的精度有一定的要求，同时火星探测器在到达进入点之后受到火星大气模型不确定、气动环境复杂、强非线性、强耦合等问题的影响，使得着陆精度产生很大的偏差。因此，为了完成未来火星探测任务精确着陆的需求，需要对火星探测过程中的各个阶段进行深入分析，并研究在多约束条件下的火星探测器在进入大气后的快速、精确导航制导技术，从而实现精确软着陆，这是目前国内外火星探测任务正致力解决的关键问题之一。
1.3 火星探测器进入、下降与着陆过程
由于探测器在进入火星大气之前具有极快的速度，因此要实现探测器的减速与精确着陆就必须经历大气进入、下降（包含伞降段和动力下降段）以及*终着陆（entry，descent and landing，EDL）过程。EDL过程虽然短暂，但却是整个火星探测任务中*为重要和关键的部分之一，其开始于着陆器以4～7 km／s的速度撞击火星大气层顶，逐渐减速降落，以着陆器安全着陆于火星地表为结束标志，整个过程如图1.3所示。表1.1展示了以往成功着陆于火星表面的7个探测器的各项参数和性能指标。
1．进入段
探测器进入火星大气层的场景向人们展示了一幅空间时代的经典画面：一个密封舱被一团火球包围着，如闪电般穿过天空。进入段一般始于着陆器接触火星大气层顶（高度125km，速度4～7km／s），结束于降落伞完全打开。整个过程仅利用火昼大气进行减速，消耗掉99%的动能，将速度减到合适的开伞条件高度（6～10km，速度2Ma左右，压强300～800Pa），其问，经历制动过载、动压峰值，同时产生大量的气动热，是整个EDL过程中气动环境*恶劣，也是*重要的阶段。
图1.3 火星EDL过程
表1.1 成功着陆火星表面任务的EDL总结
由于火星大气密度非常稀薄，仅为地球的1％，在进入段过程中，探测器仅依靠自己的气动外形进行减速，相比地球上的探测器，需要飞行在更低的高度才能达到所需的减速效果。这也就意味着，适合开伞的高度也相对较低，留给接下来的伞降段以及*终着陆段的时间变少，可能导致着陆器没有充足的着陆准备时间。同时，火星探测器在大气的作用下将急剧减速，会产生严重的气动热。因而合适的气动外形是确保火星探测器安全通过进入段的高速高温飞行区，并*终实现火星软着陆的重要保障。
火星探测器的进入段气动外形必须能够同时满足两个条件，即能提供较高的阻力系数，同时具有较好的防热性能。目前成功着陆于火星地表的着陆器的进入段气动外形都借鉴了“海盗号”的成功经验，均采用70度半锥角的大钝头球锥形的外形设计（其零攻角的阻力系数为1.68），如图1.4所示。该结构设计提高了进入探测器的阻力面积，充分发挥了自身气动阻力的减速作用，同时相比于细长物体，钝头物的进入能量耗散在一个空气质量较大的空间中，有效抵消了高超声物体承受的热负荷。
图1.4 大钝头锥形气动外形
2．下降段
下降段，分为伞降段和动力下降段。其中伞降段为无控过程，即当探测器的速度与高度降低到一定程度后，通过降落伞的打开进一步消耗探测器的动能。降落伞是航天器减速着陆系统*常见的减速装置之一，目前成功实施的无人火星探测任务都采用了超声速伞减速技术。之所以使用降落伞进行减速，除了其具有较高的安全可靠性，还因为降落伞质量较轻、制作加工的成本低廉、便于携带。进入21世纪后，随着运载火箭、高超声速飞行器和航天器返回技术的快速发展以及柔性减速材料研究的不断深入，降落伞的应用领域不断扩大。与地球大气相比，火星大气十分稀薄，表面大气密度仅为地球的1％；尽管如此，依靠高分子材料制作而成的特殊形状减速伞依然是探测器能够安全到达火星表面的*有效方法。另外，由于火星大气比较稀薄，降落伞材料、形状和参数的选取都将与着陆于地面的返回舱所用的降落伞有较大差异，因此通过使用降落伞装置进行减速从而实现探测器在火星表面安全着陆是一项极具难度和复杂性的设计任务。
考虑到火星稀薄的大气密度，在地球大气中能正常工作的超声速伞在火星大气中就可