天問一號進入下降著陸過程GNC關鍵技術

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空間智能控制技術重點實驗室）

火星EDL過程任務階段劃分示意圖

1 引言

我國首次火星探測任務天問一號探測器由環繞器和著陸巡視器（包括進入艙和祝融號火星車）組成，通過一次任務實現了火星環繞、著陸和巡視三大目標[1]。天問一號探測器于2020年7月23日成功發射，2021年2月10日進入火星環繞軌道，2021年5月15日7時18分，著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選區，標志著我國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

進入下降著陸（EDL）過程從大氣進入點（距離火星參考表面約125km）開始，到著陸火星表面結束，是保證天問一號探測器安全著陸的最關鍵階段，其主要任務是減速和機動，以保證探測器接觸火星表面的狀態（姿態和速度）安全和落區地形地貌安全。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、著陸緩沖機構展開、傘-背罩組合體分離、主發動機開始點火、傘-背罩組合體規避和障礙規避等一系列動作，才能實現安全著陸。可見，EDL過程是火星探測任務最具技術挑戰的階段，其主要任務由著陸巡視器進入艙制導、導航與控制（GNC）分系統負責實施。因此，本文將針對EDL過程面臨的挑戰，給出天問一號著陸巡視器進入艙GNC關鍵技術及實際飛行情況。

2 EDL過程挑戰

EDL過程從大氣進入點開始，到著陸火星表面結束，可以分為氣動減速、傘降減速和動力減速三個關鍵階段，其中，氣動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行減速并對探測器航程和橫向航程進行控制；傘降減速段主要利用降落傘進行減速；動力減速段包括動力規避段、懸停成像段、避障機動段和緩速下降段[2-4]，主要通過發動機進行主動減速控制，并規避傘-背罩組合體和地形障礙，從而實現安全軟著陸。

天問一號是我國首次實施的火星探測任務，任務實施前，我國對火星環境的認識十分缺乏，因此，EDL過程GNC分系統面臨著火星表面環境（大氣密度、溫度、風和沙塵等）不確知性大、EDL過程不可逆（動作多、環環相扣）、時間短（僅7～10min）、通信時延大（此時火星距離地球約3×108km，地火雙向通信時延長達36min）、地面測控站無法干預著陸巡視器的控制等挑戰，GNC分系統需要在復雜、不確知環境下實現完全自主決策和控制。

此外，EDL傘降減速段（馬赫數大于1.4）由于開傘存在喘振現象（降落傘在第一個充氣載荷峰值后，將持續出現一系列載荷峰值，將這個反復出現載荷峰值的動力學過程稱為喘振）[5-6]，著陸平臺的角速度和角加速度可能超出陀螺量程導致系統導航基準丟失、任務失敗，因此GNC分系統還需要具備在大動態環境下實現高精度高容錯自主導航的能力。

最后，EDL過程還存在如下兩方面挑戰：一方面，火星表面地形地貌復雜，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，而天問一號著陸前并沒有落區地形地貌的高分辨率數據，落區地形安全需要著陸平臺在軌自主保證；另一方面，EDL傘降減速段結束后著陸巡視器將拋掉傘和背罩后繼續飛行，背罩與著陸平臺可能發生碰撞，降落傘也可能罩住著陸平臺，從而危及著陸平臺的安全，因此在EDL動力減速段，GNC分系統面臨著在多約束條件下同時實現自主障礙識別與規避，以及傘-背罩組合體規避的挑戰。

3 GNC關鍵技術

針對上述火星EDL過程的挑戰，天問一號著陸巡視器進入艙GNC分系統突破了多約束下的自適應規劃制導與控制、大動態環境下的高容錯自主導航、大干擾下的快速姿態機動魯棒控制、EDL過程GNC高置信度仿真驗證等一系列關鍵技術，在天問一號成功著陸火星任務中發揮了關鍵的作用。

1）多約束下的自適應規劃制導與控制技術。火星表面大氣密度、溫度、風及沙塵等環境不確知性大，進入艙所能承受的最大過載、最大熱流、總吸熱量和開傘狀態等約束多，針對這些特點，設計了多約束下的大氣進入自適應規劃與制導算法，實現了火星復雜飛行環境下的開傘狀態優化控制、高精度定點著陸和適應進入點狀態偏差大的自主軌跡規劃。針對拋傘后著陸平臺的減速、傘-背罩組合體和地形地貌障礙的統一規避等需求，設計了多約束一體化自適應規劃與控制策略，實現了動力減速、避障和降落傘及背罩規避的協調一致控制，避免了由于降落傘及背罩與著陸平臺發生碰撞或降落到障礙區導致任務失敗的情況，顯著提高了軟著陸的安全性。

2）大動態環境下的高容錯自主導航技術。針對火星EDL過程的高動態、強振動環境特點，設計了遞歸式優化多子樣慣性導航算法，提高了大氣進入段和傘降段大動態飛行環境下的慣性導航精度。針對EDL過程環境動態大、測量波束多的特點，設計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、計算量大的技術難題，實現了多波束的故障快速檢測與隔離，顯著提高了導航容錯能力。針對開傘后大動態過程可能引起的多個陀螺飽和問題，設計了基于多波束測距測速和慣性測量信息的導航基準快速重構算法，從根源上消除了大動態過程下導航基準丟失帶來的著陸失敗風險，提高了極端工況下EDL任務的成功概率。

3）大干擾下的快速姿態機動魯棒控制技術。針對火星EDL過程動力學復雜、動力減速入口條件散布大導致的姿態快速準確跟蹤要求，設計了推力指向與滾動姿態解耦與分區姿態規劃算法，實現了動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。針對動力減速過程中存在的快時變大干擾力矩、著陸平臺慣量小導致的時延影響過大等問題，設計了基于干擾力矩快速辨識和實時前饋補償的姿態控制算法，實現了快速時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控制精度。針對著陸巡視器姿控推力器配置多、可靠性要求高的特點，設計了基于干擾力和干擾力矩快速辨識的推力器故障快速診斷和重構算法，實現了推力器出現故障情況下的高容錯控制，顯著提高了姿態控制的魯棒性。

4）EDL過程GNC高置信度仿真驗證技術。火星EDL過程環境復雜、不確定性大，動作、環節和時序多，推力器噴流效率和羽流干擾等影響復雜，地面無法直接全物理試驗驗證和評估。針對上述問題，設計構建了多時序高置信度火星EDL過程GNC仿真驗證系統，突破了火星EDL過程的變質量變結構多體耦合動力學建模及解算、仿真試驗環境及指標體系設計，以及基于仿真置信度的在軌性能評估等關鍵技術，實現了火星EDL過程GNC系統高置信度的全面仿真驗證評估。

4 實際飛行情況

2021年5月15日凌晨1時許，天問一號探測器在停泊軌道實施降軌，機動至火星進入軌道。4時許，著陸巡視器與環繞器分離，歷經約3h飛行后，到達火星EDL過程大氣進入點，經過約9min的氣動減速、傘降減速、動力減速和著陸緩沖，于7時18分成功軟著陸于火星烏托邦平原南部的目標著陸區，著陸精度3.1km×0.2km。

氣動減速段

通過事后處理延遲遙測數據可知，EDL過程飛行時間共537s，其中氣動減速段279s，傘降減速段168s，動力減速段90s。氣動減速段從大氣進入點開始，攻角配平段飛行了68s，著陸巡視器高度降至約63km，馬赫數為24，阻力加速度增大至1.96m/s2。轉入升力控制段后，采用多約束下的大氣進入自適應規劃與制導算法，通過傾側角控制改變氣動力在軌道平面內的分量，來控制飛行航程和橫向航程，保證了著陸巡視器到達預定著陸區；氣動減速至馬赫數為2.8時，發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，為降落傘打開創造了極為有利的條件。

傘降減速段

當馬赫數小于1.8時，降落傘打開指令發出，進入傘降減速段，此時高度約為13km；降落傘打開后，速度急劇減小，20s后，馬赫數降至0.5左右，發出了拋大底指令。拋大底后10s著陸緩沖機構展開，隨后測距測速敏感器開始工作，引入了相對火星表面實際地形的距離和速度測量信息，對慣性導航進行了高度和速度修正，顯著提高了導航高度和速度的估計精度。環境不確定性和傘降過程的大動態飛行過程，極大地考驗了導航敏感器和導航方案算法，依賴大動態環境下的高容錯自主導航技術，GNC分系統實現了高精度的姿態、高度和速度確定。

天問一號EDL過程高度馬赫數隨時間變化曲線

天問一號環繞器拍攝的實際著陸區圖像（傘-背罩組合體規避效果）

動力下降段

當高度降至約1.3km、馬赫數約為0.25時，傘-背罩組合體與著陸平臺分離，動力減速段開始；隨后光學成像敏感器獲取了著陸區圖像，并基于傘-背罩組合體規避的約束給出了安全著陸點。傘-背罩組合體與著陸平臺分離后1s，7500N主發動機開始點火，根據多約束一體化自適應規劃與控制策略，著陸平臺進一步減速，同時進行了傘-背罩組合體和障礙規避機動，期間依靠推力指向與滾動姿態解耦與分區姿態規劃算法，實現了制導指令（推力方向）的快速跟蹤。當高度降至約100m時，著陸平臺保持懸停狀態，避障敏感器獲取了著陸區三維地形數據，處理后確定了最終安全著陸點；轉入避障機動段，利用水平推力器實現了精避障機動，到達最終著陸點上方，垂向速度減至約1.5m/s，消除水平速度，高度降至約20m；轉入緩速下降段，著陸平臺以約1.5m/s垂向速度緩速下降，繼續消除水平速度，保持姿態垂直火星表面，直到2個及以上觸火敏感器有效，關閉主發動機。動力下降過程，基于干擾力矩快速辨識和實時前饋補償的姿態控制算法，提高了著陸平臺觸火的速度和姿態控制精度，確保最終著陸狀態的水平速度小于0.16m/s，姿態誤差小于0.1o。

5 總結

根據實際飛行數據分析以及著陸后祝融號火星車和環繞器拍攝的圖像顯示，天問一號實施的我國首次火星著陸任務堪稱完美。EDL過程GNC關鍵技術在天問一號成功著陸火星表面任務中發揮了關鍵作用，為我國首次火星探測任務著陸火星圓滿成功作出了突出的貢獻。展望未來，隨著我國深空探測任務的持續推進，我國將陸續開展火星采樣返回、木星系和金星等探測任務，火星EDL過程GNC關鍵技術將有力地支撐這些任務的實施。

祝融號火星車拍攝的實際著陸點圖像（精避障效果）