天问一号进入下降着陆过程GNC关键技术

黄翔宇 郭敏文 李茂登 徐超 胡锦昌 王晓磊 赵宇 刘旺旺

（1北京控制工程研究所，2空间智能控制技术重点实验室）

火星EDL过程任务阶段划分示意图

1 引言

我国首次火星探测任务天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器（包括进入舱和祝融号火星车）组成，通过一次任务实现了火星环绕、着陆和巡视三大目标[1]。天问一号探测器于2020年7月23日成功发射，2021年2月10日进入火星环绕轨道，2021年5月15日7时18分，着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选区，标志着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

进入下降着陆（EDL）过程从大气进入点（距离火星参考表面约125km）开始，到着陆火星表面结束，是保证天问一号探测器安全着陆的最关键阶段，其主要任务是减速和机动，以保证探测器接触火星表面的状态（姿态和速度）安全和落区地形地貌安全。EDL过程需要将探测器从约1.7×104km/h的速度快速减至接近于0，同时还要按顺序完成配平翼展开、降落伞打开、大底分离、着陆缓冲机构展开、伞-背罩组合体分离、主发动机开始点火、伞-背罩组合体规避和障碍规避等一系列动作，才能实现安全着陆。可见，EDL过程是火星探测任务最具技术挑战的阶段，其主要任务由着陆巡视器进入舱制导、导航与控制（GNC）分系统负责实施。因此，本文将针对EDL过程面临的挑战，给出天问一号着陆巡视器进入舱GNC关键技术及实际飞行情况。

2 EDL过程挑战

EDL过程从大气进入点开始，到着陆火星表面结束，可以分为气动减速、伞降减速和动力减速三个关键阶段，其中，气动减速段包括攻角配平段和升力控制段，主要利用火星大气进行减速并对探测器航程和横向航程进行控制；伞降减速段主要利用降落伞进行减速；动力减速段包括动力规避段、悬停成像段、避障机动段和缓速下降段[2-4]，主要通过发动机进行主动减速控制，并规避伞-背罩组合体和地形障碍，从而实现安全软着陆。

天问一号是我国首次实施的火星探测任务，任务实施前，我国对火星环境的认识十分缺乏，因此，EDL过程GNC分系统面临着火星表面环境（大气密度、温度、风和沙尘等）不确知性大、EDL过程不可逆（动作多、环环相扣）、时间短（仅7～10min）、通信时延大（此时火星距离地球约3×108km，地火双向通信时延长达36min）、地面测控站无法干预着陆巡视器的控制等挑战，GNC分系统需要在复杂、不确知环境下实现完全自主决策和控制。

此外，EDL伞降减速段（马赫数大于1.4）由于开伞存在喘振现象（降落伞在第一个充气载荷峰值后，将持续出现一系列载荷峰值，将这个反复出现载荷峰值的动力学过程称为喘振）[5-6]，着陆平台的角速度和角加速度可能超出陀螺量程导致系统导航基准丢失、任务失败，因此GNC分系统还需要具备在大动态环境下实现高精度高容错自主导航的能力。

最后，EDL过程还存在如下两方面挑战：一方面，火星表面地形地貌复杂，如：南半球大都是布满撞击坑的高地，北半球大都是布满撞击坑的低洼平原，火星还有比地球上大得多的火山和峡谷，而天问一号着陆前并没有落区地形地貌的高分辨率数据，落区地形安全需要着陆平台在轨自主保证；另一方面，EDL伞降减速段结束后着陆巡视器将抛掉伞和背罩后继续飞行，背罩与着陆平台可能发生碰撞，降落伞也可能罩住着陆平台，从而危及着陆平台的安全，因此在EDL动力减速段，GNC分系统面临着在多约束条件下同时实现自主障碍识别与规避，以及伞-背罩组合体规避的挑战。

3 GNC关键技术

针对上述火星EDL过程的挑战，天问一号着陆巡视器进入舱GNC分系统突破了多约束下的自适应规划制导与控制、大动态环境下的高容错自主导航、大干扰下的快速姿态机动鲁棒控制、EDL过程GNC高置信度仿真验证等一系列关键技术，在天问一号成功着陆火星任务中发挥了关键的作用。

1）多约束下的自适应规划制导与控制技术。火星表面大气密度、温度、风及沙尘等环境不确知性大，进入舱所能承受的最大过载、最大热流、总吸热量和开伞状态等约束多，针对这些特点，设计了多约束下的大气进入自适应规划与制导算法，实现了火星复杂飞行环境下的开伞状态优化控制、高精度定点着陆和适应进入点状态偏差大的自主轨迹规划。针对抛伞后着陆平台的减速、伞-背罩组合体和地形地貌障碍的统一规避等需求，设计了多约束一体化自适应规划与控制策略，实现了动力减速、避障和降落伞及背罩规避的协调一致控制，避免了由于降落伞及背罩与着陆平台发生碰撞或降落到障碍区导致任务失败的情况，显著提高了软着陆的安全性。

2）大动态环境下的高容错自主导航技术。针对火星EDL过程的高动态、强振动环境特点，设计了递归式优化多子样惯性导航算法，提高了大气进入段和伞降段大动态飞行环境下的惯性导航精度。针对EDL过程环境动态大、测量波束多的特点，设计了基于零空间和故障树的多波束故障检测与隔离方法，克服了多并行故障检测隔离难、计算量大的技术难题，实现了多波束的故障快速检测与隔离，显著提高了导航容错能力。针对开伞后大动态过程可能引起的多个陀螺饱和问题，设计了基于多波束测距测速和惯性测量信息的导航基准快速重构算法，从根源上消除了大动态过程下导航基准丢失带来的着陆失败风险，提高了极端工况下EDL任务的成功概率。

3）大干扰下的快速姿态机动鲁棒控制技术。针对火星EDL过程动力学复杂、动力减速入口条件散布大导致的姿态快速准确跟踪要求，设计了推力指向与滚动姿态解耦与分区姿态规划算法，实现了动力减速过程推力方向的快速跟踪控制和轨迹的高效高精度控制。针对动力减速过程中存在的快时变大干扰力矩、着陆平台惯量小导致的时延影响过大等问题，设计了基于干扰力矩快速辨识和实时前馈补偿的姿态控制算法，实现了快速时变大干扰下的鲁棒快速跟踪控制，提高了触火的速度和姿态控制精度。针对着陆巡视器姿控推力器配置多、可靠性要求高的特点，设计了基于干扰力和干扰力矩快速辨识的推力器故障快速诊断和重构算法，实现了推力器出现故障情况下的高容错控制，显著提高了姿态控制的鲁棒性。

4）EDL过程GNC高置信度仿真验证技术。火星EDL过程环境复杂、不确定性大，动作、环节和时序多，推力器喷流效率和羽流干扰等影响复杂，地面无法直接全物理试验验证和评估。针对上述问题，设计构建了多时序高置信度火星EDL过程GNC仿真验证系统，突破了火星EDL过程的变质量变结构多体耦合动力学建模及解算、仿真试验环境及指标体系设计，以及基于仿真置信度的在轨性能评估等关键技术，实现了火星EDL过程GNC系统高置信度的全面仿真验证评估。

4 实际飞行情况

2021年5月15日凌晨1时许，天问一号探测器在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。4时许，着陆巡视器与环绕器分离，历经约3h飞行后，到达火星EDL过程大气进入点，经过约9min的气动减速、伞降减速、动力减速和着陆缓冲，于7时18分成功软着陆于火星乌托邦平原南部的目标着陆区，着陆精度3.1km×0.2km。

气动减速段

通过事后处理延迟遥测数据可知，EDL过程飞行时间共537s，其中气动减速段279s，伞降减速段168s，动力减速段90s。气动减速段从大气进入点开始，攻角配平段飞行了68s，着陆巡视器高度降至约63km，马赫数为24，阻力加速度增大至1.96m/s2。转入升力控制段后，采用多约束下的大气进入自适应规划与制导算法，通过倾侧角控制改变气动力在轨道平面内的分量，来控制飞行航程和横向航程，保证了着陆巡视器到达预定着陆区；气动减速至马赫数为2.8时，发出了配平翼展开指令；配平翼展开后，着陆巡视器总攻角迅速减小至0º附近，为降落伞打开创造了极为有利的条件。

伞降减速段

当马赫数小于1.8时，降落伞打开指令发出，进入伞降减速段，此时高度约为13km；降落伞打开后，速度急剧减小，20s后，马赫数降至0.5左右，发出了抛大底指令。抛大底后10s着陆缓冲机构展开，随后测距测速敏感器开始工作，引入了相对火星表面实际地形的距离和速度测量信息，对惯性导航进行了高度和速度修正，显著提高了导航高度和速度的估计精度。环境不确定性和伞降过程的大动态飞行过程，极大地考验了导航敏感器和导航方案算法，依赖大动态环境下的高容错自主导航技术，GNC分系统实现了高精度的姿态、高度和速度确定。

天问一号EDL过程高度马赫数随时间变化曲线

天问一号环绕器拍摄的实际着陆区图像（伞-背罩组合体规避效果）

动力下降段

当高度降至约1.3km、马赫数约为0.25时，伞-背罩组合体与着陆平台分离，动力减速段开始；随后光学成像敏感器获取了着陆区图像，并基于伞-背罩组合体规避的约束给出了安全着陆点。伞-背罩组合体与着陆平台分离后1s，7500N主发动机开始点火，根据多约束一体化自适应规划与控制策略，着陆平台进一步减速，同时进行了伞-背罩组合体和障碍规避机动，期间依靠推力指向与滚动姿态解耦与分区姿态规划算法，实现了制导指令（推力方向）的快速跟踪。当高度降至约100m时，着陆平台保持悬停状态，避障敏感器获取了着陆区三维地形数据，处理后确定了最终安全着陆点；转入避障机动段，利用水平推力器实现了精避障机动，到达最终着陆点上方，垂向速度减至约1.5m/s，消除水平速度，高度降至约20m；转入缓速下降段，着陆平台以约1.5m/s垂向速度缓速下降，继续消除水平速度，保持姿态垂直火星表面，直到2个及以上触火敏感器有效，关闭主发动机。动力下降过程，基于干扰力矩快速辨识和实时前馈补偿的姿态控制算法，提高了着陆平台触火的速度和姿态控制精度，确保最终着陆状态的水平速度小于0.16m/s，姿态误差小于0.1º。

5 总结

根据实际飞行数据分析以及着陆后祝融号火星车和环绕器拍摄的图像显示，天问一号实施的我国首次火星着陆任务堪称完美。EDL过程GNC关键技术在天问一号成功着陆火星表面任务中发挥了关键作用，为我国首次火星探测任务着陆火星圆满成功作出了突出的贡献。展望未来，随着我国深空探测任务的持续推进，我国将陆续开展火星采样返回、木星系和金星等探测任务，火星EDL过程GNC关键技术将有力地支撑这些任务的实施。

祝融号火星车拍摄的实际着陆点图像（精避障效果）