中国运载火箭技术研究院宋征宇等 | 行星表面动力着陆自主制导方法综述

内容介绍

中文摘要：

本文总结了天体表面精确软着陆的自主制导方法。首先回顾了动力下降制导方法的发展，重点介绍了其在约束处理和提升计算效率方面的贡献。随着对可重复使用运载器需求的不断增加，以及太空探索带来更多的科学回报，定点软着陆成为一项基本要求。不同于过去任务中公里级的着陆精度，未来行星着陆器在满足全部速度和姿态约束条件下，着陆位置精度要达到10米级，这项任务的困难引起学者对自主制导方法的兴趣。本文讨论了动力下降阶段一般性的3自由度和6自由度优化问题，并对比月球、火星和地球3种典型着陆场景的特点。在此基础上，通过比较解析制导方法、数值优化算法和基于学习的方法，详细阐述自主制导方法的特点和适应性，并讨论非凸问题的凸化处理和求解策略。随后提出自主制导方法工程应用的3个关键问题：物理可行性、模型精度和实时性。最后，简要介绍各国航天组织（包括美国、中国、法国、德国和日本）研发的垂直起降验证飞行器，以及目前在验证飞行器上开展的制导方法试验工作。

关键词：

自主制导方法；定点软着陆；动力下降；非线性规划
作者：
宋征宇^1,5，王聪²，Stephan THEIL³，David SEELBINDER³，Marco SAGLIANO³，刘新福⁴，邵之江⁵

单位：

¹中国运载火箭技术研究院，中国北京市，100076
²北京航天自动控制研究所，中国北京市，100854
³德国宇航中心空间系统与GNC系统研究所，德国不莱梅，28001
⁴北京理工大学宇航学院，中国北京市，100081
⁵浙江大学控制科学与工程学院，中国杭州市，310027

本文引用格式：

Zheng-yu Song, Cong Wang, Stephan Theil, David Seelbinder, Marco Sagliano, Xin-fu Liu, Zhi-jiang Shao. Survey of autonomous guidance methods for powered planetary landing[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 2020, 21(5): 652-674. https://doi.org/10.1631/FITEE.1900458

本文精要导读：

宋征宇，博士，研究员，现任中国运载火箭技术研究院总设计师，国际宇航科学院院士，国际宇航联合会载人飞行委员会委员。长期从事航天控制基础理论研究与新型运载火箭研制，先后参与中国载人运载火箭、新一代大型运载火箭、长征七号运载火箭和中国重型运载火箭等的研制，现担任长征八号运载火箭总设计师。获国家科技进步奖特等奖一项、一等奖两项，第二批国家“万人计划”科技创新领军人才，第二届全国创新争先奖获得者；著有多篇专著、论文和专利。目前主要研究方向为高可靠低成本的新一代中型运载火箭设计、重复使用运载器技术等。

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Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering（简称FITEE，中文名《信息与电子工程前沿（英文）》，ISSN 2095-9184，CN 33-1389/TP）是信息电子类综合性英文学术月刊，SCI-E、EI收录，最新影响因子1.033。前身为2010年创办的《浙江大学学报英文版C辑：计算机与电子》，2015年更为现名，现为中国工程院信息与电子工程学部唯一院刊。覆盖计算机、信息与通信、控制、电子、光学等领域。文章类型包括研究论文、综述、个人视点、评述等。现任主编为中国工程院院士潘云鹤、卢锡城，实行国际同行评审制，初次转达意见一般在2~3个月内。文章一经录用将快速在线。

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