郝 策，趙 宇，趙曉濤，李茂登,2，王云鵬，徐李佳，黃翔宇,2，徐 超,2，張 琳，劉旺旺

(1.北京控制工程研究所，北京 100094；2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

0 引 言

2021年5月15日，天問一號探測器成功著陸火星表面，我國成為繼美國以外，第二個(gè)成功著陸火星的國家?；鹦翘綔y器包含環(huán)繞器和著陸巡視器，通過一次任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)“繞”、“著”、“巡”三大目標(biāo)。到目前為止，人類進(jìn)行火星探測任務(wù)的成功率僅有50%左右，其中大部分失敗在進(jìn)入、下降和著陸(Entry, descent and landing, EDL)階段。

目前火星探測器末級減速制動主要通過發(fā)動機(jī)反推減速，若發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)不及時(shí)，變推力發(fā)動機(jī)的羽流與火星表面之間作用，產(chǎn)生向上和水平方向推力，影響著陸巡視器著陸穩(wěn)定性。發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)間過早，著陸巡視器的姿態(tài)、速度控制不到位，將有硬著陸的風(fēng)險(xiǎn)。這就決定了發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)間在很大程度上影響了著陸任務(wù)的成敗，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)策略至關(guān)重要。

目前的發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)模式主要有兩種：非0高度關(guān)機(jī)模式和觸地關(guān)機(jī)模式。嫦娥三號探測器和阿波羅探測器采用非0高度關(guān)機(jī)模式著陸月球表面。嫦娥三號利用伽瑪關(guān)機(jī)敏感器得到高度信息，在距離月面3 m左右時(shí)，發(fā)出發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)指令，然后著陸器以自由落體的方式著陸到月面。采用非0高度關(guān)機(jī)模式能減少發(fā)動機(jī)羽流造成的影響。但火星土壤機(jī)械特性與月球有所差別，火星羽流對著陸緩沖機(jī)構(gòu)上的熱遠(yuǎn)小于月球羽流熱。同時(shí)，火星表面的氣流變化劇烈，火星著陸巡視器在EDL過程中受到水平和垂直氣流的影響。采用自由落體的著陸方式，著陸巡視器極有可能出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)情況，無法保證著陸的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)不能滿足高精度著陸姿態(tài)要求。

“鳳凰號”火星探測器著陸腿敏感到一定大小的沖擊力時(shí)，觸發(fā)觸地敏感器，繼而執(zhí)行發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)序列，設(shè)計(jì)在60 ms內(nèi)完成發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。該方法以觸地敏感器觸發(fā)作為執(zhí)行發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)序的前提條件，未充分考慮觸地敏感器極限故障模式，可能出現(xiàn)發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)序不能正常執(zhí)行的情況。

為了確保天問一號探測器EDL過程中，著陸巡視器能夠高可靠安全著陸火星表面。本文提出了一種自主高容錯(cuò)觸火關(guān)機(jī)策略，通過加權(quán)評分策略以及故障工況下的多信息重組技術(shù)，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)軟著陸事件的在線決策方法?；谑录|發(fā)的發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)序，減輕了7500 N變推力發(fā)動機(jī)長時(shí)間作用對著陸巡視器著陸穩(wěn)定性的消極影響。

1 軟著陸在線決策

天問一號探測器與運(yùn)載火箭分離后，將經(jīng)歷地火轉(zhuǎn)移和環(huán)繞(模式1:巡航模式)階段，環(huán)繞器和著陸巡視器分離后，著陸巡視器進(jìn)入模式2:分離滑行模式和模式3:進(jìn)入準(zhǔn)備模式，建立大氣進(jìn)入姿態(tài)，然后自主完成模式4:攻角配平模式、模式5:升力控制模式、模式6:傘降模式、模式7:動力減速模式、模式8:懸停模式、模式9:避障機(jī)動模式、模式10:緩速下降模式和模式11:無控模式，該過程涉及多個(gè)火工品控起爆，如配平翼展開、降落傘開傘、拋大底和拋背罩等，火工品起爆引起的振動極易造成觸地敏感器誤觸發(fā)的情況?；谠搯栴}，對著陸巡視器著陸事件的自主決策以及觸火信息自主故障診斷和處理提出了更高要求。

1.1 軟著陸決策模型

本文將軟著陸過程劃分為感知模塊、診斷處理模塊和決策模塊三個(gè)部分。通過感知模塊輸出4路觸火開關(guān)的狀態(tài)、4條著陸腿的健康系數(shù)、著陸巡視器的工作模式，距火面高度以及時(shí)鐘采集時(shí)間。隨后將、和輸入到診斷處理模塊，利用EDL過程中自主故障診斷功能，以加權(quán)評分方法得到4路觸火開關(guān)的可靠性評價(jià)。最后，由決策模塊輸出著陸巡視器軟著陸觸火狀態(tài)。整個(gè)信息流如圖1所示。

圖1 軟著陸在線決策邏輯

1.2 診斷處理模塊設(shè)計(jì)

為避免EDL過程中由于兩器分離、展開配平翼、彈傘、拋大底和拋背罩等火工品起爆造成觸火信號誤觸發(fā)情況，導(dǎo)致任務(wù)失敗。著陸巡視器控制計(jì)算機(jī)在模式(除模式10和模式11)初始將每路觸火信號恢復(fù)成未觸發(fā)狀態(tài)，記錄模式切換前觸火狀態(tài),。在著陸巡視器工作模式約束條件下，利用加權(quán)評分策略對觸火開關(guān)的可用性進(jìn)行量化分析:

(1)

式中：為第路觸火開關(guān)的可靠性評分;為觸火敏感器健康狀態(tài)，與在軌自檢結(jié)果和自檢次數(shù)有關(guān);為模式下的加權(quán)系數(shù)，與工作模式和著陸巡視器在軌動作有關(guān);,為模式下第路觸火開關(guān)狀態(tài)。

在模式10初始對4路觸火開關(guān)進(jìn)行加權(quán)評分，得到4路觸火開關(guān)的可靠性評價(jià)。同時(shí)實(shí)時(shí)采集4路觸火信號狀態(tài)記為,10，根據(jù)4路觸火開關(guān)狀態(tài)和可靠性評分得到有效的觸火開關(guān)信息和觸火開關(guān)個(gè)數(shù):

=,10

(2)

(3)

(4)

tou=,10

(5)

式中：為觸火開關(guān)狀態(tài)品質(zhì);為觸火信號可用標(biāo)志;1表示觸火信號有效;0表示觸火信號無效;Δ為觸發(fā)信號有效閾值;tou為觸火開關(guān)信息，1表示觸火開關(guān)閉合，0表示觸火開關(guān)斷開。

1.3 決策模塊設(shè)計(jì)

決策模塊根據(jù)得到的觸火開關(guān)可靠性評價(jià)和觸火開關(guān)信號，自主選擇最優(yōu)的軟著陸觸發(fā)策略，最終輸出著陸巡視器的觸火狀態(tài)信息。本文基于觸火信號、加速度信息以及高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了3種觸發(fā)策略。

觸火信號在診斷處理模塊進(jìn)行了詳細(xì)分析，下面介紹加速度以及時(shí)間觸發(fā)策略。

1)沖擊加速度

火星著陸巡視器在軟著陸沖擊過程中，足墊與火星表面之間的相互作用主要分為三個(gè)階段：沖擊接觸、滑移和靜止。本文選取沖擊接觸階段垂向沖擊的加速度值作為分析研究的目標(biāo)。

著陸巡視器與火面接觸時(shí)，通常以一個(gè)小加速度軟著陸于火面，因此著陸巡視器受到的力分別為：接觸力、自身的重力、小加速度產(chǎn)生的外力，通過微分方程可表示為：

(6)

采用Bekker提出的壓力下陷理論，向上的應(yīng)力與撞擊坑深度的關(guān)系可表示為：

(7)

式中：為著陸巡視器單位面積受到的應(yīng)力大小;為內(nèi)聚系數(shù);為摩擦因數(shù);為足墊半徑;為變形指數(shù)，假設(shè)=1。

由式(6)和式(7)得到著陸巡視器的微分方程表達(dá)式為：

(8)

利用相關(guān)地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)和火星土壤的性能參數(shù)研究在沖擊速度分別為0.9 m/s、1.5 m/s、2.1 m/s工況下的加速度變化情況。

圖2描述了沖擊速度與沖擊加速度的關(guān)系，隨著沖擊速度增大，加速度峰值隨之增加。整個(gè)沖擊過程一般在0.1～0.4 s完成。表1統(tǒng)計(jì)了0.1～0.4 s時(shí)間內(nèi)不同速度下的加速度，可以看出，加速度變化范圍集中在(-16 m/s，-6 m/s)。本文設(shè)定一個(gè)加速度閾值，當(dāng)加速度小于該閾值時(shí)，即可認(rèn)定其滿足著陸的條件之一。加速度閾值的選擇需要綜合考慮加速度計(jì)的采樣周期、著陸巡視器緩速下降段的加速度變化范圍和安全裕度。閾值選擇的太小，由于采樣頻率出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺少，極有可能未采集到滿足條件的數(shù)據(jù)。閾值選擇的太大，易出現(xiàn)在緩速下降段滿足條件的情況，造成誤判問題。緩速下降段加速度范圍為(-5 m/s，-3 m/s)，安全裕度設(shè)為1.2。綜上，加速度閾值為=-6 m/s。

表1 不同速度下沖擊加速度百分比

圖2 不同垂向速度下的加速度變化曲線

2)時(shí)間觸發(fā)

在觸火信號均失效的極端故障工況，采用高精度導(dǎo)航高度和時(shí)間累計(jì)構(gòu)成了一種具有雙重保護(hù)的觸發(fā)條件。判斷方式如下：在導(dǎo)航高度小于(為模式10緩速下降的初始高度)時(shí)，利用測距測速敏感器采集的垂向速度和高度實(shí)時(shí)修正慣導(dǎo)，提高導(dǎo)航精度。當(dāng)測距測速敏感器測量高度為時(shí)，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，記錄時(shí)間，同時(shí)采集導(dǎo)航垂向速度和加速度計(jì)采集合成的加速度。當(dāng)滿足如下條件時(shí)，即判定火星著陸巡視器著陸。

>且<

(9)

式中：為保護(hù)高度，取為10 m，為時(shí)間閾值。

.火星著陸巡視器著陸火星表面時(shí)速度為0 m/s。

在假設(shè)1成立的條件下，與時(shí)間的關(guān)系可表示為：

(10)

在著陸巡視器緩速下降階段，通常以目標(biāo)加速度作為制導(dǎo)目標(biāo)，但考慮到發(fā)動機(jī)推力控制精度，避免出現(xiàn)著陸巡視器向上運(yùn)動的情況。本節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)隨時(shí)間變化的小加速度，提高著陸巡視器下降過程的安全性。最終通過式(10)得到時(shí)間閾值。

基于以上3種信息，考慮故障工況下的多信息重組，本文設(shè)計(jì)的觸火事件的自主決策方案如圖3所示。

圖3 觸火狀態(tài)在線決策實(shí)施方案

著陸巡視器每條著陸腿有3對觸發(fā)開關(guān)，地面經(jīng)過了大量試驗(yàn)和在軌驗(yàn)證，可靠性較高。因此將觸火開關(guān)信號作為首要判斷條件?？紤]到在軌環(huán)境的不確定性以及極端工況，設(shè)計(jì)了兩種備份策略。

為防止由于EDL過程中加速度小于加速度閾值，誤認(rèn)為著陸巡視器觸火的情況。在加速度觸發(fā)條件中增加了至少1路觸火開關(guān)信號有效的判斷，極大提高了該策略的可靠性和安全性。但著陸巡視器與火面發(fā)生沖擊時(shí)，容易出現(xiàn)加速度計(jì)數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象，因此在4路觸火開關(guān)均失效或者加速度計(jì)異常的極端情況下，設(shè)計(jì)了基于時(shí)間的觸發(fā)策略。備份策略相對觸火信號觸發(fā)方案，具有一定的時(shí)間滯后。

通過多冗余備份的觸火策略自主決策方案，能高可靠高安全的在最短時(shí)間輸出著陸巡視器觸火狀態(tài)，進(jìn)而執(zhí)行后續(xù)的觸火關(guān)機(jī)時(shí)序。

2 軟著陸觸火關(guān)機(jī)時(shí)序設(shè)計(jì)

著陸巡視器觸火后，需要發(fā)送7500 N發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)指令。既要保證關(guān)機(jī)時(shí)間足夠短，同樣也要保證關(guān)機(jī)動作執(zhí)行的可靠性。基于以上要求，本文提出了一種基于事件觸發(fā)的7500 N發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)序控制策略，如圖4所示。該時(shí)序?qū)⒅懯录|發(fā)作為起始時(shí)間，按照觸火信號觸發(fā)時(shí)刻、加速度沖擊觸發(fā)時(shí)刻以及時(shí)間觸發(fā)時(shí)刻優(yōu)先級順序，選擇某一觸發(fā)時(shí)刻作為觸火關(guān)機(jī)時(shí)序執(zhí)行的起點(diǎn)。25 ms后連續(xù)發(fā)送7500 N發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)指令，直至發(fā)動機(jī)在時(shí)刻收到該指令。然后7500 N發(fā)動機(jī)進(jìn)行閥門關(guān)閉，執(zhí)行時(shí)間為。最后，發(fā)動機(jī)完成關(guān)機(jī)。整個(gè)關(guān)機(jī)過程在40～537 ms完成。

圖4 軟著陸觸火關(guān)機(jī)時(shí)序

考慮到地火距離較遠(yuǎn)，星地通訊存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此，著陸巡視器GNC分系統(tǒng)連續(xù)512 ms持續(xù)發(fā)送7500 N變推力發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)指令，在檢測到發(fā)動機(jī)收到該指令時(shí)，停止發(fā)送指令。該方案確保了7500 N發(fā)動機(jī)觸火時(shí)間發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)關(guān)機(jī)，降低了作用時(shí)長對軟著陸穩(wěn)定性的消極影響。

3 軟著陸觸火關(guān)機(jī)策略校驗(yàn)

針對本文設(shè)計(jì)的觸火關(guān)機(jī)策略分別進(jìn)行了地面試驗(yàn)驗(yàn)證和在軌數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析。

3.1 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

為了綜合驗(yàn)證觸火關(guān)機(jī)策略的正確性，在河北懷來進(jìn)行了觸火關(guān)機(jī)專題驗(yàn)證試驗(yàn)。采用塔架吊掛的方案來模擬火星低重力的方案，塔架與著陸巡視器間采用鋼絲繩連接，吊繩上的拉力保持恒定，從而模擬著陸過程中火星重力環(huán)境。地面試驗(yàn)主要對觸火開關(guān)觸發(fā)和加速度觸發(fā)策略進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)驗(yàn)證。

..觸地開關(guān)觸發(fā)

著陸巡視器觸地開關(guān)均為未觸發(fā)狀態(tài)，起始高度為70 m，發(fā)動機(jī)的推力范圍約為900～3500 N。著陸巡視器經(jīng)歷懸停模式、避障機(jī)動模式、緩速下降模式最終著陸至石灰地面。

圖5、圖6和圖8以觸地信號觸發(fā)前一拍作為時(shí)間起點(diǎn)，描述了觸地過程中加速度計(jì)采集合成的速度、加速度以及觸火信號個(gè)數(shù)變化過程。觸火信號采集周期與加速度計(jì)采樣周期不同。由圖5和圖6可以看出，著陸巡視器觸地前一直向下運(yùn)動，在采集到觸地信號后，由于著陸于石灰地面，出現(xiàn)了約0.04 s的彈跳，然后減速，最終著陸巡視器處于穩(wěn)定狀態(tài)，加速度計(jì)采集合成的速度和加速度分別穩(wěn)定于0 m/s和火星表面重力加速度g附近，整個(gè)沖擊過程約0.25 s。圖7可以看出在觸地事件觸發(fā)后，發(fā)動機(jī)推力減小至0，完成發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。

圖5 垂向速度變化示意圖

圖6 垂向加速度變化示意圖

圖7 發(fā)動機(jī)推力變化示意圖

圖8 觸火信號的變化示意圖

綜上，地面試驗(yàn)驗(yàn)證了基于觸火開關(guān)觸發(fā)的發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)策略的有效性。

..加速度計(jì)觸發(fā)

地面設(shè)定星上軟件屏蔽觸地信號觸發(fā)策略。著陸巡視器從起始高度70 m，經(jīng)歷懸停模式、避障機(jī)動模式、緩速下降模式，最終著陸至石灰地面。

導(dǎo)航速度與前面試驗(yàn)基本一致，不受該工況影響，這里不進(jìn)行重復(fù)描述。通過對比圖9和圖6以及圖10和圖7發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)間比觸地開關(guān)觸發(fā)試驗(yàn)長，觸地信號有效后約300 ms完成了發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。

圖9 垂向加速度變化示意圖

圖10 發(fā)動機(jī)推力變化示意圖

綜上，地面試驗(yàn)驗(yàn)證了基于加速度觸發(fā)的發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)策略的有效性。

..在軌數(shù)據(jù)分析

天問一號著陸巡視器觸火過程與地面驗(yàn)證基本一致。由在軌數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，4路觸火信號同時(shí)觸發(fā)，著陸巡視器與重力方向夾角為0.001°，可以判斷火星著陸巡視器觸火姿態(tài)穩(wěn)定。通過分析著陸巡視器的合成加速度和速度，發(fā)現(xiàn)觸地關(guān)機(jī)過程中未出現(xiàn)著陸巡視器向上彈跳的情況，加速度計(jì)合成加速度最終穩(wěn)定在火星重力加速度附近，垂直速度穩(wěn)定在0 m/s附近，導(dǎo)航垂直高度為0.886 m(著陸腿高度)。綜上可知，著陸巡視器7500 N發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)正常，天問一號探測器成功著陸，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文觸火關(guān)機(jī)策略的有效性。

4 結(jié) 論

本文對天問一號探測器觸火關(guān)機(jī)策略進(jìn)行了研究分析，結(jié)合觸火信號、加速度信息以及高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息設(shè)計(jì)了3種觸火策略，實(shí)現(xiàn)了軟著陸自主決策，提高了軟著陸事件觸發(fā)的可靠性和安全性。利用優(yōu)化的觸火關(guān)機(jī)時(shí)序，以著陸事件為觸發(fā)條件，通過優(yōu)化關(guān)機(jī)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了觸火關(guān)機(jī)動作執(zhí)行的高效性和自主性。通過地面試驗(yàn)和在軌結(jié)果，驗(yàn)證了觸火關(guān)機(jī)策略的有效性。