--------- 这是第15期【遇见论文】---------
编者按：近日，北京理工大学崔平远教授领衔的研究团队在最新一期的Progress in Aerospace Sciences期刊上发表综述论文，全面回顾了用于火星精准着陆的制导导航技术。论文第一作者为该校于正湜博士，合作研究者还包括纽约州立大学布法罗分校的Crassidis教授。
论文信息
标题：Design and optimization of navigation and guidance techniques for Mars pinpoint landing: Review and prospect
作者：于正湜，崔平远，John L.Crassidis
期刊：Progress in Aerospace Sciences
卷期：94 (2017) 82–94
很多普通人从科幻电影中常常产生这样的错觉，以为航天器登陆其他行星（例如火星）时可能是随便寻找一个着陆点就行了。其实，这并非实际情况。由于航天发射成本极其高昂，科学家在制定登陆计划时，往往要将每一个环节进行精确地计算，即使是着陆点也是经过认真评估后选定的。不过，这并非意味着真正着陆的地点能够和期望的地点完全重合，因为实际任务中总会出现各种不确定的因素。为了降低这种不确定带来的任务风险，科学家们不厌其烦地改进技术，以期能不断提升任务执行的精准性。
火星，作为离地球最近且与地球环境最相近的太阳系行星，是目前被科学家们考虑登陆其上进行实地考察的最频繁目标。已经有不少火星登陆计划正在各航天大国进行讨论，而这其中也包括我们中国。为了能够确保登陆过程安全可靠，需要研制一套高精度的制导导航方案。并且，由于火星离地球极其遥远，远程遥控几乎无法胜任这种着陆控制的实时性要求。为此，自主导航与制导（autonomous navigation and guidance）将是火星登陆过程的不二选择。如何实现这种自主性的高可靠的自主导航与制导呢？科学家们已经研究了很多年，并取得了不错的进展。崔平远团队的这篇论文回顾了当前这一领域的相关进展，并对未来的前景做了展望。这篇综述对于那些想要了解这一方向的科研人员和研究生提供了很好的素材。
在论文的引言部分，作者总结了人类已进行过的火星探测任务，并对任务的成功率进行了统计，如表1所示。由表中数据可知，火星探测的成功率偏低，在三类探测任务（飞跃、环绕、着陆）中最高的只有一半成功率，最低的（登陆火星）大约为1/3成功率，总体成功率则为41.3%。这意味着，探测任务的成功率只有四成左右。因此，改进火星登陆的制导导航方案具有重大的工程应用价值。
表1 以往火星探测成功率统计
在引言部分，作者还介绍了火星漫游者（Mars Exploration Rover）以及火星科学实验室（Mars Science Laboratory）两个典型任务。图1给出了火星漫游者在登陆火星过程中经历的最后四个阶段：接近、进入、下降和着陆（approach, entry, descent, and landing），简称AEDL过程。
图1 火星漫游者的AEDL过程示意图
作者总结到，火星精准着陆（pinpoint landing）过程中对制导导航的主要挑战在于以下三个方面：有限的导航信息、动力学模型的非线性和不确定性、弱控制能力。其中，有限的导航信息来自如下两个方面：一是在进入火星大气过程中容易产生热屏蔽现象，从而导致多种导航敏感器无法使用；二是着陆过程的水平位置信息较难获得。动力学模型的非线性和不确定性是由进入火星大气时的高速运动带来的大气密度、升-阻比等参数不准确导致的。弱控制能力是指进入火星的过程中，能够用于调节控制飞行器的通常只有一个自由角度，且升阻比较小导致控制力较小。
图2 用于接近阶段的X射线脉冲导航方案
在导航方法（navigation）综述部分，作者按照接近、进入、下降和着陆四个阶段，详细回顾了用于火星登陆的各种已有自主导航与制导方法。如图2-4，是各种不同阶段的具体导航方法。此外，作者还对相应的状态估计（State estimation）方法以及导航信息优化方法（Optimization of navigation information）进行了介绍。
图3 基于网络的火星进入导航方案
在制导方法（guidance）综述部分，作者从飞行性能分析出发，进一步介绍了参考轨迹生成、轨迹跟踪制导方法（trajectory tracking guidance）、无轨迹跟踪制导方法（trajectory-independent guidance）等内容。
图4 用于带推力下降过程的一体化导航方案
文中，作者对各种方法的优劣和适用范围进行了细致讨论，并以合适的工程任务为例进行合理点评，指出了未来改进的方向。总之，这篇论文对于想要全面快速了解当前火星着陆过程的制导导航现状的研究人员而言，不失为一篇难得的系统性资料。（完）
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