趙洋，盛瑞卿，陳春亮，張曉文，鄒樂洋，高珊，黃昊

1. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094 2. 北京控制工程研究所，北京 100094

1 引言

嫦娥五號探測器成功實現(xiàn)了月面無人自主采樣返回任務(wù)。作為保證月面采樣的前提，執(zhí)行月面軟著陸是整個任務(wù)中極為重要的環(huán)節(jié)。這一過程從近月點附近的動力下降點開始，負(fù)責(zé)執(zhí)行軟著陸的探測器通過減速制動發(fā)動機點火，經(jīng)過主減速、快速調(diào)整、接近、懸停避障等階段，直至著陸月面既定區(qū)域內(nèi)[1]。在著陸過程中需要根據(jù)導(dǎo)航敏感器實時測量探測器距離月面的高度、速度并按照制導(dǎo)控制律對探測器進行控制，最終保證探測器在指定目標(biāo)范圍內(nèi)著陸。

動力下降點作為整個月面軟著陸過程的“起始點”，也是地面軌道控制與探測器自主執(zhí)行導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的關(guān)鍵“交班點”，其設(shè)計結(jié)果直接影響了最終著陸點的位置和著陸過程的著陸安全，也間接影響采樣安全和采樣工程目標(biāo)的實現(xiàn)結(jié)果。而動力下降點的確定也是多系統(tǒng)間交互迭代的過程，涉及任務(wù)軌道設(shè)計、著陸目標(biāo)的采樣區(qū)確定、著陸過程安全分析、采樣區(qū)地形地貌分析等環(huán)節(jié)。

針對在月面預(yù)定位置實現(xiàn)軟著陸的問題，眾多文獻分別從軌道設(shè)計、最優(yōu)標(biāo)稱制導(dǎo)軌跡設(shè)計、月面采樣點確定、著陸安全區(qū)域搜索等方面進行了研究，其中文獻[2]提出了在月面目標(biāo)著陸點實施精確軟著陸的燃耗最優(yōu)標(biāo)稱制導(dǎo)軌跡設(shè)計方法；文獻[3]針對月面定點著陸任務(wù)需求，設(shè)計了環(huán)月非對稱降軌控制策略；文獻[4]針對定時定點月面著陸的目標(biāo)要求，提出了全程軌道控制設(shè)計方法；文獻[5]提出了月面復(fù)雜地形表層采樣可采點確定方法；文獻[6]提出了在月球軟著陸過程中識別障礙物，并利用高程圖尋找安全著陸點的軟著陸算法。國內(nèi)外相關(guān)文獻主要針對月面著陸關(guān)鍵要素進行了獨立的設(shè)計優(yōu)化工作。而如何通過多次聯(lián)合調(diào)整軌道和著陸過程最優(yōu)制導(dǎo)航跡，并在這個過程中綜合考慮月面采樣需求、著陸區(qū)安全，確保月面著陸及起飛動作順利完成，是月面無人自主采樣返回這類存在多任務(wù)階段、復(fù)雜飛行過程、高精度軌道控制要求等特點的復(fù)雜深空探測任務(wù)亟需解決的問題。

本文根據(jù)嫦娥五號月面無人自主采樣返回任務(wù)月面采樣區(qū)定點著陸的任務(wù)需求，結(jié)合環(huán)月段軌道精確控制策略的設(shè)計結(jié)果，在綜合月面軟著陸、月面采樣及起飛安全的需求，提出了在環(huán)月軌道基于“逐次逼近尋優(yōu)”方法的月面軟著陸過程動力下降點確定方法，即在動力下降前通過多次軌道控制與最優(yōu)標(biāo)稱制導(dǎo)軌跡搜索聯(lián)合控制策略的調(diào)整方法以確保著陸在月面目標(biāo)落點，同時兼顧月面著陸、月面采樣和月面起飛過程安全性，并依據(jù)該方法設(shè)計了具體實施流程。本文所介紹的“逐次逼近尋優(yōu)”方法確定月面軟著陸的動力下降點已經(jīng)在嫦娥五號任務(wù)上得到了成功驗證，對探測器實施月面著陸起到了重要的決定作用，所使用的方法對于復(fù)雜的地外天體著陸探測任務(wù)具有充分借鑒性。

2 月面無人自主采樣返回任務(wù)過程

嫦娥五號月面無人自主采樣返回任務(wù)整個飛行過程主要包括：發(fā)射入軌段、地月轉(zhuǎn)移段、近月制動段、環(huán)月飛行段、著陸下降段、月面工作段、月面上升段、交會對接與樣品轉(zhuǎn)移段、環(huán)月等待段、月地轉(zhuǎn)移段、再入回收段共11個階段，如圖 1所示，整個飛行過程持續(xù)23 d。

根據(jù)飛行過程設(shè)計，在實施月面動力下降軟著陸前，探測器需要經(jīng)過為期2 d的環(huán)月軌道飛行過程，該階段從探測器完成近月制動后開始，著陸器-上升器組合體與軌道器-返回器從200 km環(huán)月軌道經(jīng)過兩次降軌變軌后進入200 km×15 km的環(huán)月軌道，飛行至動力下降點，開始實施動力下降。在著陸上升組合體著陸月面后，在月面短時間(2 d)內(nèi)完成月壤采樣及封裝工作，隨后上升器攜帶月壤樣品再從月面點火起飛，進入15 km×180 km環(huán)月軌道，完成后續(xù)交會對接任務(wù)，如圖 2所示。

圖1 嫦娥五號月面無人自主采樣返回任務(wù)飛行過程示意Fig.1 Flight process of Chang’e-5 unmanned automatic sampling and return mission

圖2 嫦娥五號環(huán)月及月面工作飛行過程示意Fig.2 Flight process of cislune and lunar surface operation

對于實現(xiàn)月面軟著陸的動力下降過程，則是在15 km×200 km環(huán)月軌道的近月點附近，通過發(fā)動機點火減速制動，由探測器自主控制至著陸在月面目標(biāo)點。由于動力下降的軌控過程與探測器距月球表面實際高度密切相關(guān)，在動力下降過程中針對探測器高度變化，設(shè)計不同的導(dǎo)航敏感器使用策略[7]，如圖3所示。

其中，在距月面15～2 km的主減速段，主要采用捷聯(lián)慣導(dǎo)平臺實現(xiàn)自主慣性導(dǎo)航外推，在下降到12 km高度后，引入激光、微波測距敏感器對慣性導(dǎo)航信息進行修正，從而實現(xiàn)對高度測量誤差的修正；在下降到4 km后，引入激光、微波測速敏感器作為動力下降過程速度測量新息，修正速度測量偏差；最后在距月面1.5 km的接近段和100 m懸停避障段，分別引入光學(xué)成像敏感器和激光三維成像敏感器，對目標(biāo)著陸采樣區(qū)的地形進行成像并檢測障礙物(直徑大于1 m的石塊或坑)，并確定安全著陸點。

圖3 嫦娥五號探測器著陸上升組合體動力下降過程敏感器使用情況示意圖Fig.3 Navigation sensor utilization for powered descent phase of Chang’e-5 lunar exploration mission

3 動力下降點確定的原理及約束條件

3.1 動力下降點的確定原理

動力下降點，顧名思義為執(zhí)行月面著陸探測器開始點火減速制動的位置，其確定原理如圖 4所示。其中：A點為動力下降點、B點為動力下降點對應(yīng)的器下點、C點為導(dǎo)航控制系統(tǒng)引入高度測量值時的點、D點為C點的器下點，E點為著陸月面的點。動力下降點A與此時月面器下點B(真實月面)間距離，即動力下降點相對于真實月面實際高度為H1；動力下降點A與此時月面器下點M(相對于月球平均海拔平面)間距離，即動力下降點軌道理論高度為H2；導(dǎo)航測距敏感器引入點C相對實際月面高度為H3；圖中ND虛線為過D點相對月心的一段圓弧線，ND與動力下降點A→月心連線的交點為N。動力下降點A與該點的距離為H4。

動力下降點確定的主要內(nèi)容是確定在相對月面既定高度處實施探測器的點火制動動作。而根據(jù)動力下降過程的導(dǎo)航策略設(shè)計結(jié)果，為保證燃耗最優(yōu)，通常動力下降點安排在近月點附近，同時為了確保導(dǎo)航控制系統(tǒng)在引入高度測量敏感器(距月面約12 km)的實測信息時濾波快速收斂，要求捷聯(lián)慣導(dǎo)平臺的高度積分結(jié)果與高度測量敏感器測量結(jié)果盡量接近，即動力下降點高度基準(zhǔn)以引入測距敏感器時對應(yīng)的月面實際高度為相對基準(zhǔn)，根據(jù)動力下降航跡確定引入測距敏感器時對應(yīng)的實際月面高度。因此，通常設(shè)置：H3≈12 km，H4≈15 km。

3.2 動力下降點確定約束條件

根據(jù)3.1節(jié)動力下降點定義及與動力下降航跡的空間幾何關(guān)系，可以分析出，與動力下降點需要確定的參數(shù)包括：

1)動力下降點軌道參數(shù)，主要包括動力下降點位置、速度以及軌道傾角等；

2)動力下降發(fā)動機點火前探測器初始質(zhì)量；

3)動力下降過程用于減速制動的主發(fā)動機推力及比沖。

同時，在動力下降點確定過程中，還需要結(jié)合嫦娥五號月面無人自主采樣任務(wù)的設(shè)計特點，綜合考慮月面采樣區(qū)地形地貌特點以及月面著陸位置及姿態(tài)對后續(xù)動作，包括：月面采樣工作、月面起飛上升等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的影響。

圖4 月面軟著陸動力下降航跡示意圖Fig.4 Flight track of powered descent on lunar soft landing

主要包括以下幾個方面：

(1)動力下降航跡過程的安全性

主要涉及探測器器下點地形地貌對于導(dǎo)航敏感器的影響，包括兩個方面：

1) 動力下降航跡覆蓋范圍對應(yīng)的月面高程變化，主要影響的是微波和激光測距敏感器，若高程起伏變化較大，則不利于導(dǎo)航敏感器濾波收斂，同時也會影響測距信號有效性判斷，造成虛警。

2) 接近段航跡覆蓋范圍對應(yīng)的月面地形地貌，主要影響的是光學(xué)成像敏感器和激光三維成像敏感器選擇月面安全著陸點的判斷輸出，若月面坡度較大、石塊、撞擊坑分布密度較高，會影響著陸安全。

(2)月面著陸及月面起飛的安全性

主要涉及目標(biāo)著陸點地形地貌對于探測器的觸地安全影響和間接對月面點火起飛的安全影響。由于目標(biāo)著陸點的月面坡度直接影響著陸姿態(tài)，若著陸姿態(tài)偏差過大，會導(dǎo)致探測器傾翻。而同時考慮完成月面采樣任務(wù)后，從月面穩(wěn)定起飛上升，要求著陸姿態(tài)偏差在一定范圍內(nèi)。

(3)月面采樣過程的安全性

包括石塊分布情況和月壤結(jié)構(gòu)特性對月面鉆取及表取采樣過程的影響，若石塊分布較多、月壤結(jié)構(gòu)較為堅硬，則難以實施月面采樣任務(wù)。

因此，需要綜合考慮上述影響因素，在充分分析月面采樣區(qū)地形地貌特點和動力下降過程安全性的前提條件下，結(jié)合全任務(wù)軌道設(shè)計結(jié)果和探測器質(zhì)量特性、發(fā)動機工作特性等關(guān)鍵參數(shù)，實施動力下降點的確定與動力下降過程的仿真。

4 月面軟著陸過程動力下降點確定方法

動力下降點確定基于逐次逼近尋優(yōu)策略的設(shè)計，主要包括兩方面：首先，在軌道設(shè)計上主要通過在近月制動及環(huán)月過程中，實施修正升交點赤經(jīng)和軌道傾角的軌道面調(diào)整策略，以實現(xiàn)對落點經(jīng)度的調(diào)整，而在環(huán)月降軌過程中主要瞄準(zhǔn)動力下降點高度和落點緯度；同時，根據(jù)動力下降過程動力學(xué)模型，結(jié)合最優(yōu)標(biāo)稱軌跡設(shè)計結(jié)果，對最終著陸點進行預(yù)測，并將著陸點位置、著陸速度的預(yù)測結(jié)果與目標(biāo)著陸點參數(shù)進行比較，將計算偏差作為重新確定動力下降點參數(shù)(位置、速度、發(fā)動機點火時間)的迭代輸入，重新引入到第一步的軌道調(diào)整策略中。即以月面著陸點為“目標(biāo)”，經(jīng)過環(huán)月軌道軌控策略(近月制動2次、環(huán)月降軌2次)“逐次逼近”迭代，確保按動力下降最優(yōu)航跡估計的著陸點與目標(biāo)著陸點“逐步接近”，最終將著陸點計算結(jié)果與理論目標(biāo)的偏差縮小在閾值范圍內(nèi)，即實現(xiàn)“目標(biāo)尋優(yōu)”，上述過程具體實現(xiàn)如圖 5所示。

具體包括以下幾個步驟：

1)根據(jù)初始動力下降點參數(shù)，確定動力下降過程動力學(xué)模型。

初始的動力下降點參數(shù)主要包括：在開始執(zhí)行動力下降時刻TD時，探測器月心慣性系下位置PD=[XD,YD,ZD]、速度VD=[VxD,VyD,VzD]、軌道傾角iD、初始質(zhì)量mD。其中，動力下降過程的動力學(xué)模型可以描述為[2]：

圖5 基于逐次逼近尋優(yōu)策略的動力下降點確定原理圖Fig.5 Determination of ignition point for powered descent phase based on successive approximation and optimization

(1)

式中：r為任意位置探測器月心距；θ為月心-探測器矢量與月球自轉(zhuǎn)軸矢量夾角；ν為探測器飛行速度；γ為動力下降過程飛行彈道平面傾角；μ為月球引力常數(shù)；通常取μ=4.902 79×1012m3/s2；av為探測器在軌飛行速度矢量切向加速度；an為飛行速度矢量法向加速度；Isp為探測器動力下降主發(fā)動機比沖；m為探測器動力下降過程的質(zhì)量。

2)根據(jù)動力學(xué)模型，結(jié)合航跡下地形數(shù)據(jù)，計算分析著陸安全，迭代求解最優(yōu)標(biāo)稱著陸航跡。

在給出上述動力下降點初始參數(shù)(位置、速度、發(fā)動機點火時間等)的輸入后，可以根據(jù)動力下降過程的動力學(xué)模型，利用優(yōu)化控制方法求解最優(yōu)著陸航跡。

對于嫦娥五號月面無人自主采樣返回任務(wù)，月面軟著陸過程燃料消耗是最重要的設(shè)計因素，因此以動力下降過程燃料消耗最優(yōu)軌跡作為期望軌跡進行迭代跟蹤，即首先定義描述著陸過程燃耗性能指標(biāo)函數(shù)[8]：

(2)

同時，考慮著陸安全問題，定義著陸器安全著陸判據(jù)為：f=(ρ,d,r)，定義為：ρeven著陸區(qū)地形平均坡度；ρmax為著陸安全能容忍最大坡度，考慮月面著陸、采樣及起飛任務(wù)安全，要求：在10 m基線(用于分析地形數(shù)據(jù)的單元尺寸，通常與地形數(shù)據(jù)分辨率密切相關(guān)，例如5 m分辨率的地形數(shù)據(jù)，通常取10 m，即兩個像元作為基線)內(nèi)，坡度(地形坡面與水平面的夾角)不超過8°；di定義為著陸區(qū)內(nèi)撞擊坑深度/直徑比，dmax為著陸安全及任務(wù)要求能接受的最大撞擊坑深度/直徑比，按照任務(wù)要求，坑深度/直徑比不超過0.1，i∈[1,Nc]為撞擊坑數(shù)量；r定義為著陸區(qū)內(nèi)石塊豐度(石塊分布面積占整個區(qū)域面積比)，rmax為著陸安全及任務(wù)要求能接受的最大石塊豐度，按照任務(wù)要求，石塊豐度不超過1%，則有：

(3)

相應(yīng)地，考慮著陸安全求解動力下降過程燃耗最優(yōu)的著陸軌跡問題可以描述為：min J，即：

3)根據(jù)最優(yōu)標(biāo)稱著陸航跡的設(shè)計結(jié)果，預(yù)測最終著陸點位置P'L=[X'L,Y'L,Z'L]，速度V'L=[Vx'L,Vy'L,Vz'L]。

4) 根據(jù)最終著陸點預(yù)測結(jié)果，計算與目標(biāo)著陸點的著陸點位置PL=[XL,YL,ZL]及著陸速度VL=[VxL,VyL,VzL]的偏差量ΔPL、ΔVL作為修正動力下降點參數(shù)的輸入，其中：

5)根據(jù)步驟4計算的著陸點偏差，對當(dāng)前軌道控制策略進行修正以調(diào)整目標(biāo)著陸點，再以此遞推重新確定動力下降點。

由于對月面無人采樣返回任務(wù)，月面著陸點主要通過環(huán)月降軌控制調(diào)整月面落點緯度、通過引入近月制動法向速度增量調(diào)整月面落點經(jīng)度。同時，通過優(yōu)化地月轉(zhuǎn)移瞄準(zhǔn)的近月點傾角，保證采樣點第二次穿過環(huán)月軌道面的時間，從而保證探測器月面起飛過程共面上升的測控條件[3][9-10]。

近月制動軌道調(diào)整策略：

環(huán)月降軌軌道調(diào)整策略：

式中：iLOI為近月制動后軌道傾角；ΔνLOIN為軌道調(diào)整的速度增量法向量；u為探測器的緯度幅角；ΔνLOIT為軌道調(diào)整的速度增量切向量；θLon為理論計算的著陸點經(jīng)度；θLat為理論計算的著陸點緯度。

因此，嫦娥五號任務(wù)軌道調(diào)整策略設(shè)計了逐次逼近目標(biāo)落點的方法，具體過程如圖6所示。其中，分別通過近月制動軌控策略設(shè)計、環(huán)月降軌(兩次)軌控策略設(shè)計，逐步“逼近”理論目標(biāo)。

圖6 修正軌控策略逐次逼近目標(biāo)流程Fig.6 Flow chart of successive approximation of trajectory maneuver control strategy design

6)迭代計算步驟1～5，最終將著陸點計算結(jié)果與理論目標(biāo)的偏差縮小在閾值范圍內(nèi)。

根據(jù)月面采樣任務(wù)要求，理論預(yù)估落點與目標(biāo)落點月心角偏差≤0.01°，同時，探測器與月面接觸時水平速度不大于0.7 m/s，垂直速度不大于3.5 m/s，以上述條件作為動力下降點確定工作的收斂目標(biāo)。

5 嫦娥五號月面軟著陸動力下降點確定實施與驗證結(jié)果

5.1 動力下降前軌道控制及動力下降點確定結(jié)果

按照嫦娥五號月面軟著陸前的任務(wù)設(shè)計，在實施動力下降前，要經(jīng)過近月制動、環(huán)月降軌等環(huán)節(jié)，每次軌控執(zhí)行結(jié)果會對后續(xù)軌道控制策略設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生影響。相應(yīng)地，每次軌道控制策略的變化會對動力下降點的確定及著陸點的確定結(jié)果產(chǎn)生影響。

考慮月面軟著陸任務(wù)動力下降過程實施前的軌道控制結(jié)果對動力下降點確定的影響以及月球引力攝動對不同時間軌道確定結(jié)果的影響。分別在月面軟著陸前主要的四次軌控任務(wù)后實施動力下降初始點確定，即：2020年11月25日地月轉(zhuǎn)移段四器組合體第二次中途修正后(TCM-2)、11月29日四器組合體近月制動后(LOI)、11月30日著上組合體第一次環(huán)月降軌后(LOD-1)和12月1日第二次環(huán)月降軌后動力下降前(LOI-2)。因此，不同軌道控制結(jié)果對應(yīng)的動力下降點初始參數(shù)也不同，由于動力下降過程中并不具備軌道調(diào)節(jié)的能力，相應(yīng)也會導(dǎo)致最終著陸點的結(jié)果發(fā)生變化。嫦娥五號月面無人自主采樣返回任務(wù)軟著陸前軌道控制結(jié)果對動力下降點確定結(jié)果的影響如表1所示。

表1 軟著陸前軌道控制對動力下降點確定的影響

在不同軌控任務(wù)對應(yīng)的動力下降點確定后的軟著陸最優(yōu)航跡仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 嫦娥五號在軌歷次動力下降點確定后的航跡仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of flight tracks with multiple ignition point determination for powered descent phase

5.2 嫦娥五號著陸及起飛安全性分析結(jié)果

由于嫦娥五號確定的采樣區(qū)位于月球正面風(fēng)暴洋(Oceanus procellarum)區(qū)域，其緯度范圍為43°±2°N，經(jīng)度范圍59°±10°W，如圖8所示[11]。

圖8 嫦娥五號探測器月面采樣區(qū)范圍示意Fig.8 Targeted area for sampling of Chang’e-5 lunar probe

根據(jù)對嫦娥五號采樣區(qū)數(shù)字地形數(shù)據(jù)的分析結(jié)果[12]，該區(qū)域平均月面(距月心1 737.4 km)的地形高程范圍為-3 377 m～-1 725 m，平均高程為-2 451.91 m。平均坡度為2.73°，整體地勢較為平坦。整個采樣區(qū)撞擊坑分布情況為西部稀疏，撞擊坑坑壁平均坡度小于10°。整個采樣區(qū)內(nèi)石塊呈現(xiàn)出“不均衡”的隨機散布狀態(tài)，并圍繞撞擊坑呈現(xiàn)出圓形發(fā)散的群狀分布[13-14]。結(jié)合著陸安全概率計算方法[15]，在采樣區(qū)內(nèi)篩選出適宜著陸的區(qū)域，如圖9所示，其中藍色區(qū)域能夠滿足本次著陸任務(wù)的安全區(qū)域。根據(jù)分析結(jié)果，采樣區(qū)內(nèi)超過95%的區(qū)域都能夠滿足著陸安全性要求，這與采樣區(qū)地形的分析結(jié)果也是一致的。

根據(jù)5.1節(jié)中動力下降點確定的最終結(jié)果，同時考慮不同初始參數(shù)(如軌道確定偏差、軌控偏差、主減速發(fā)動機推力偏差等)對最終落點的影響，最終確定的著陸區(qū)范圍約為26 km×6 km。如圖10中紅色框區(qū)域所示，該區(qū)域具體范圍如表2所示。

表2 動力下降點確定的目標(biāo)著陸區(qū)范圍

同時結(jié)合最優(yōu)著陸航跡、月面起飛航跡分析了航跡覆蓋范圍的月面地形及高程等關(guān)鍵參數(shù)，分析了月面著陸及月面起飛過程的安全性，分別如圖9、圖10所示，分析結(jié)果表明航跡所確定的區(qū)域地形能夠滿足著陸及起飛任務(wù)安全實施，可以采用。

圖9 嫦娥五號動力下降航跡著陸安全性分析結(jié)果Fig.9 Safety analysis result along powered descent flight track

圖10 嫦娥五號起飛航跡著陸安全性分析結(jié)果Fig.10 Safety analysis result along lunar surface lifting-off flight track

5.3 嫦娥五號月面軟著陸實現(xiàn)結(jié)果

嫦娥五號月球探測器著陸上升組合體按照既定任務(wù)設(shè)計，于2020年12月1日22:57:17發(fā)動機開機，從動力下降點37.37° N ,76.86° W開始實施動力下降，經(jīng)過了961 s的飛行，依次經(jīng)過主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段控制，最終于23:11:21安全著陸在既定采樣區(qū)內(nèi)，著陸點位置為43.1° N，51.42° W，與動力下降前下降點確定的結(jié)果一致。而根據(jù)導(dǎo)航敏感器的遙測數(shù)據(jù)結(jié)果可以確定，著陸點附近的采樣區(qū)地勢平坦，著陸姿態(tài)偏差不超過2.2°，滿足后續(xù)月面采樣及起飛的任務(wù)需求。

動力下降過程航跡和月面起飛上升對應(yīng)的器下點月面實際高程變化情況分別如圖11、圖12所示。在動力下降過程的航跡覆蓋范圍內(nèi)，月面高程范圍為-2 728.5～-1.738 1 km，月面起飛過程高程范圍為-2 673.2～ -2 019.5 km，根據(jù)分析，航跡下月面地形能夠滿足著陸安全和月面起飛安全的要求。根據(jù)月面實際測量結(jié)果，動力下降點確定結(jié)果滿足任務(wù)要求，所使用的動力下降點的確定方法通過了有效驗證。

圖11 嫦娥五號探測器動力下降過程航跡器下點月面高程變化情況Fig.11 Terrain elevation change along the flight track of powered descent phase of Chang’e -5 lunar probe

圖12 嫦娥五號探測器月面起飛過程航跡器下點月面高程變化情況Fig.12 Terrain elevation change along the flight track of lunar surface lifting-off phase of Chang’e -5 lunar probe

6 結(jié)論

本文針對嫦娥五號月面無人自主采樣返回任務(wù)設(shè)計特點，綜合月面軟著陸、月面采樣及起飛安全的需求，提出了在環(huán)月軌道基于“逐次逼近尋優(yōu)方法”的月面軟著陸環(huán)節(jié)動力下降點的確定方法。在動力下降前通過多次軌道控制與最優(yōu)標(biāo)稱制導(dǎo)軌跡搜索聯(lián)合控制策略的調(diào)整方法確保了月面著陸，同時對月面著陸、月面采樣和月面起飛過程的安全性進行了確定。嫦娥五號任務(wù)進入環(huán)月軌道后，按照“逐次逼近尋優(yōu)方法”在軌共實施了4次策略調(diào)整工作并確定了最后的下降點參數(shù)，最終在既定的動力下降點成功實施了月面軟著陸任務(wù)。本文提出的方法及設(shè)計的在軌實施流程經(jīng)過了有效驗證，對于后續(xù)地外天體軟著陸任務(wù)，特別是地外天體表面采樣、起飛上升任務(wù)的軌控策略設(shè)計及軟著陸任務(wù)設(shè)計均具有借鑒意義。