CN112068176A - 一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，包括：火星探测器，用于采集火星表面的环境信息及获取火星岩体样本；多个微纳卫星，所述多个微纳卫星形成微纳卫星组网，运行于距离火星固定高度的轨道，并在所述轨道获取火星表面图像及定位信息，用于辅助火星探测器进行探测工作；地面协同控制工作站，与所述火星探测器及多个微纳卫星进行无线通信，用于根据当前微纳卫星组网与火星探测器的状态信息对探测任务进行设计和规划，并对微纳卫星组网与火星探测器进行调度；协同控制模型库，包括多微纳卫星组网控制模型库以及火星探测器控制模型库，用于根据地面协同控制工作站的决策结果和控制策略提供相应的控制算法和控制模型。

Description

一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统及方法

技术领域

本公开涉及航空航天领域，尤其涉及一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统及方法。

背景技术

中国未来将进行深空探测，探测太阳系、火星、小行星等，探寻地外生命信息。针对火星的探测任务，主要包括探索火星的生命活动信息，包括火星过去、现在是否存在生命，火星生命生存的条件和环境以及对生命起源和地外生命的探测。针对火星本体的科学研究，将包括对火星磁层、电离层和大气层的探测与环境科学，包括火星的地形、地貌特征与分区，火星表面物质组成与分布，地质特征与构造区划；对于火星内部结构、成分，火星的起源与演化也将进行进一步的研究和探索。但是，在目前的火星探测过程中，由于火星与地球距离遥远，探测器与地球之间的通信存在至少10分钟的时间差。这意味着，探测器着陆时可能与地球“失联”，一旦失去控制就将撞毁在火星表面。这就要求探测器在着陆阶段必须具有自主导航、控制和障碍规避的能力。目前成功着陆的火星探测器在着陆阶段采用的导航方案，只在进入火星大气层之前的巡航段采用地面深空网和星敏感器获得精确的大气进入点，虽然地面深空网可以提供较为精确的导航信息，但是由于存在通信延时，导航效果并不理想。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，包括：火星探测器，用于采集火星表面的环境信息及获取火星岩体样本；多个微纳卫星，所述多个微纳卫星形成微纳卫星组网，运行于距离火星固定高度的轨道，并在所述轨道获取火星表面图像及定位信息，用于辅助火星探测器进行探测工作；地面协同控制工作站，与所述火星探测器及多个微纳卫星进行无线通信，用于根据当前微纳卫星组网与火星探测器的状态信息对探测任务进行设计和规划，并对微纳卫星组网与火星探测器进行调度；协同控制模型库，包括多微纳卫星组网控制模型库以及火星探测器控制模型库，用于根据地面协同控制工作站的决策结果和控制策略提供相应的控制算法和控制模型。

根据本公开的实施例，所述微纳卫星包括：第一传感器组，所述第一传感器组用于辅助火星探测器感知周边环境，并为地面科研人员提供关于火星的科研数据；第一导航模块，用于为火星探测器提供定位与导航功能，使得在火星探测器下降过程中即可为其提供定位服务；第一无线通信模块，用于与地面的协同工作站和火星探测器进行通信；轨道与飞行控制模块，所述轨道与飞行控制模块包括多个变轨发动机，用于控制飞行轨道或当前队形；以及能源动力系统，所述能源动力系统采用离子液体微电推进器。

根据本公开的实施例，所述火星探测器包括第二导航模块，所述第一导航模块与第二导航模块获取的数据相结合用于为火星探测器提供定位功能。

根据本公开的实施例，所述的火星探测器还包括行走部分、第二传感器组、第二无线通信模块、太阳能电池板动力系统、机械臂样本采集部分以及气囊与反推火箭着陆部分。

根据本公开的实施例，所述地面协同控制工作站包括：决策模块，所述决策模块包括：系统故障决策模块，所述系统故障决策模块包含多微纳组网故障诊断模块与火星探测器故障诊断模块；控制决策模块，所述控制决策模块包含多微纳组网队形变换、编队模块与探测器移动、避障、采集模块；以及智能规划与决策模块，智能规划与决策模块包含任务规划模块与行为决策模块；环境感知与事件辨识模块，包括：第一传感器融合模块，用于将微纳卫星上的第一传感器组、第一导航模块的数据进行融合，所述第一传感器组包括高清摄像头与星敏感器；第二传感器融合模块，用于将火星探测器上的第二传感器组、第二导航模块的数据进行融合，所述第二传感器组包括温湿度传感器、双目视觉传感器及红外测距模块。

根据本公开的实施例，所述协同控制模型库包括：多微纳卫星组网控制模型库，所述多微纳卫星组网控制模型库用于构建微纳卫星组网，包括位置与轨控信息控制算法和模型、组网队形保持、变换和重构控制算法和模型以及多目标优化算法与抗干扰控制模型；以及火星探测器控制模型库，所述火星探测器控制模型库用于提供火星探测器运动与工作的控制算法和控制模型，包括火星探测器实现运动与工作的定位与导航控制算法和模型、运动避障控制算法与模型以及采集工作控制算法与模型。

根据本公开的实施例，所述的携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统还包括：显示终端，所述显示终端与地面控制工作站连接，用于实时显示协同工作、微纳卫星组网队形变换和保持等信息以及火星探测器的位置与微纳卫星及火星探测器的传感器采集的信息。

根据本公开的另一方面，提供了一种采用如前所述携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统的方法，包括：将火星探测器与微纳卫星通过运载火箭一同从地表发射，当微纳卫星达到火星规定高度的轨道后进行分离；微纳卫星组网在火星轨道上开始运行并工作，为科学实验提供分布式平台，并进行火星表面高清晰度图像的采集，以及为火星探测器提供定位及授时功能；分离后的火星探测器收到火星引力的作用，利用所述微纳卫星组网采集的图像数据选定着陆场所，开始下降并着陆至火星表面；火星探测器着陆完成后，通过行走部分开始移动，并由传感器组采集火星表面的环境信息，并采集火星表面岩体样本。

根据本公开的实施例，所述的方法还包括：微纳卫星的第一导航模块与火星探测器的第二导航模块为火星探测器提供定位功能，包括：通过第一导航模块与第二导航模块的数据获取已知位置的微纳卫星到火星探测器之间的距离数据；综合微纳卫星组网中多颗所述已知位置的微纳卫星的数据确定火星探测器的具体位置，其中，所述微纳卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中获取。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统及方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)使用火星轨道上的微纳卫星组网对火星探测器在着陆过程中进行导航，相比较传统的使用地球轨道卫星导航方案由于通信延迟导致探测器“失联”甚至最终撞毁在火星表面，能够极大程度上降低通信距离，从而减轻通信的延迟，使得导航更加具有实时性。

(2)通过火星轨道的微纳卫星组网携带的高清摄像头能够协助火星探测器选定着陆场所，在火星探测器的着陆阶段，通过微纳卫星携带的高清摄像头采集火星表面高清图像，利用地表图像进行特征提取跟踪，选定安全合理的着陆场所，并通过导航模块引导火星探测器在选定场所进行着陆。

附图说明

图1为本公开实施例携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统的结构示意图。

图2为本公开实施多微纳卫星组网的结构示意图。

图3为本公开实施火星探测器的结构示意图。

图4为本公开实施地面协同控制工作站的结构示意图。

图5为本公开实施例协同控制模型库的结构示意图。

图6为本公开实施例携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测方法的流程图。

【附图中本公开实施例主要符号说明】

1、微纳卫星；

10、微纳卫星组网；

2、火星探测器；

3、地面协同控制工作站；

4、协同控制模型库；

5、显示终端。

具体实施方式

由于地球轨道卫星与火星距离较远，在火星探测器着陆过程中，难以提供实时性较高的导航信息，如果由于通信延迟导致探测器“失联”，往往容易造成探测器失控最终撞毁在火星表面。

本公开提供了一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，包括：火星探测器用于采集火星表面的环境信息及获取火星岩体样本；多个微纳卫星，所述多个微纳卫星运行于距离火星固定高度的轨道，并在所述轨道获取火星表面图像及定位信息，用于辅助火星探测器进行探测工作；地面协同控制工作站，通过无线通信模块所述连接至所述火星探测器及多个微纳卫星，用于根据当前微纳卫星组网与火星探测器的状态信息对任务进行设计和规划，对微纳卫星组网与火星探测器进行调度；协同控制模型库，包括多微纳卫星组网控制模型库以及火星探测器控制模型库，用于根据地面协同控制工作站的决策结果和控制策略提供相应的控制算法和控制模型。

本公开通过火星轨道上的微纳卫星组网对火星探测器在着陆过程中进行导航，相比较传统的使用地球轨道卫星导航方案，能够极大程度上降低通信距离，从而减轻通信的延迟，使得导航更加具有实时性。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统。图1为本公开实施例多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统的结构示意图。如图1所示，本公开多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统包括：多个微纳卫星1、火星探测器2、地面协同控制工作站3、协同控制模型库4以及显示终端5。

本系统应用于火星探测任务的执行当中，通过将多个微纳卫星1进行组网，构成微纳卫星组网10，与火星探测器2进行结合，组成新型的火星探测系统，为地面的科研人员从火星表面与火星上空轨道提供多种科研数据与样本。在系统的工作过程中，将火星探测器与多个微纳卫星通过运载火箭一同从地表发射，当系统达到火星规定高度的轨道后进行分离。微纳卫星进行组网并在火星轨道上开始工作，为科学实验提供分布式平台，进行火星表面高清晰度图像采集工作，并实现为火星探测器提供定位等功能；与此同时，分离后的火星探测器收到火星引力的作用，开始下降准备着陆，当到达设定高度时，探测器着陆部分的反推火箭开始工作降低系统的下降速度，着陆碰撞前探测器底部的气囊充气，在着陆瞬间提供缓冲作用；火星探测器着陆完成后，通过行走部分开始移动，并由传感器组采集火星表面的温湿度、高清视频信号等信息、由机械臂采集火星表面岩体样本，为深入研究火星提供科研数据。

以下对本实施例携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统的各个部分进行详细说明。

多个微纳卫星1运行于距离火星固定高度的轨道，并在所述轨道获取火星表面图像及定位信息，用于辅助火星探测器进行探测工作。微纳卫星1通过星上无线通信模块接收地面协同控制工作站3发出的控制指令来控制自身的飞行状态与轨道，以及微纳卫星1间的队形变换和重构，并传输微纳卫星传感器组获取的数据；并通过北斗导航模块为火星探测器2进行定位导航与授时。

图2为本公开实施多微纳卫星组网的结构示意图。如图2所示，微纳卫星1主要包括第一传感器组，第一无线通信模块，第一北斗导航模块、轨道与飞行控制模块以及能源动力系统。

其中，第一传感器组用于为地面科研人员提供关于火星的科研数据，包括高清摄像头、星敏感器等。高清摄像头负责采集火星地表的高清晰度图像，用于帮助火星探测器感知周边环境，并为科研人员提供科研数据；星敏感器是卫星姿态控制系统的一个很重要的组成部分，通过敏感恒星辐射来测定卫星相对于天球坐标系的三轴姿态，为系统提供卫星姿态数据，并可用来修正陀螺漂移。三轴姿态与科研数据通过无线通信模块返回给地面协同控制工作站3，并且在协同控制模型库4的参与下生成任务规划与行为决策来提供微纳卫星的控制指令。

此外，第一传感器组还用于在火星探测器着陆时为进行辅助。目前主流的着陆场所选取方案依靠火星探测器自身携带的惯性测量器件进行导航，在火星探测器超高音速进入火星大气阶段，整个探测器被包裹在热防护罩中，此时其余的测量设备如探测器自带的摄像头、激光雷达、多普勒雷达、测高计以及光学敏感器无法正常使用，从而使得导航精度进一步失准。通过本文所述的方案，能够通过火星轨道的微纳卫星组网携带的高清摄像头协助火星探测器选定着陆场所。本实施例中，在火星探测器的着陆阶段，通过微纳卫星携带的高清摄像头采集火星表面高清图像，利用地表图像进行特征提取跟踪，选定安全合理的着陆场所，并通过导航模块引导火星探测器在选定场所进行着陆。

第一北斗导航模块可为火星探测器提供定位与导航功能，从而能快速而准确地提供定位信息，且由于微纳卫星先于火星探测器与运载火箭分离，因此在火星探测器下降过程中即可为其提供定位服务。

第一无线通信设备模拟器包括天线、射频单元、基带处理单元、综合处理器等，采用中频数字化的实现方式，将射频通道的输入进行中频数字化；分别装载在n个独立的微纳卫星上，实现太空中卫星间信息传递过程，并与地面的协同工作站和火星探测器进行通信。

轨道与飞行控制模块包括多个变轨发动机，当地面协同控制工作站做出需要更改轨道或当前队形等决策时，通过变轨发动机的喷射来完成决策的任务。

能源动力系统采用离子液体微电推进器，由于微纳卫星的体积较小，无法携带大尺寸的太阳能电池板，因此采用该系统对微纳卫星组网进行能源供应。离子液体微电推进器是一种先进的大比冲、高效能微纳卫星动力系统解决方案，推进器能够为微纳卫星的高精度姿态调整、轨道转移、退役离轨等任务提供先进动力支持，使微纳卫星具备更为精确高效的姿态及轨道控制能力，有效延长低轨微纳卫星的轨道寿命；同时，推进器采用微系统技术设计，具备优异的可扩展性，未来能够为各种微纳卫星提供低成本、通用化，具备快速交付能力的动力系统解决方案。

本实施例中，微纳卫星组网10由n个微纳卫星1组成，形成可编队、分布式的空间科学研究平台。多个微纳卫星1进行组网构成微纳卫星组网10与现有的地球轨道微纳卫星组网相比，火星轨道的微纳卫星组网需要在轨运行过程中能够躲避火卫一、火卫二两颗天然火星卫星。为了避免与火星的两个卫星碰撞，当微纳卫星上的视觉传感器(摄像头)检测到火卫一、火卫二处于目前微纳卫星组网的运行轨道且可能发生碰撞时，由地面协同控制工作站给出变轨指令，通过变轨发动机的工作为微纳卫星组网提供一个0.4m/s的法向速度，能够确保微纳卫星组网避开天然火星卫星。在避障结束后，再由地面协同控制工作站给出新的指令来改变微纳卫星组网的轨道。

图3为本公开实施火星探测器的结构示意图。如图3所示，所述的火星探测器2包括行走部分、第二传感器组、太阳能电池板动力系统、机械臂样本采集部分、气囊与反推火箭着陆部分、第二无线通信模块和第二北斗导航模块。

火星探测器2上设置有第二无线通信模块、第二北斗导航模块以及第二传感器组。火星探测器通过第二传感器组9采集科研数据；通过第二无线通信模块与地面协同控制工作站3进行通信，从而接收指令来控制自身移动与工作的开展，并传输第二传感器组采集的数据，同时，第二无线通信模块还用于实现与微纳卫星1的无线通信。

第二传感器组用来为地面科研人员提供关于火星表面的科研数据，并帮助火星探测器2来感知自身所处的环境。信息通过无线通信模块返回给地面协同控制工作站3，并且在协同控制模型库4的参与下生成任务规划与行为决策来火星探测器的控制指令。

具体地，第二传感器组包括温湿度传感器、双目视觉摄像头、红外测距，温湿度传感器为系统测得火星表面的当前温度与湿度，可以帮助科研人员展开相关于火星表面温度与湿度的实验，比如火星表面昼夜温差等；红外测距可以测得火星探测器与周围环境中障碍物或者目标的距离，辅助探测器进行避障或达到目的地；双目视觉摄像头可以采集火星探测器所处环境的视频信号，通过无线通信模块传输给地面的科研人员。

除第二无线通信模块、第二北斗导航模块以及第二传感器组以外，火星探测器2还包括行走部分、动力系统、机械臂采集部分以及着陆部分。

其中，行走部分采用履带式结构，能够在复杂的火星表面提高沟壑与小型障碍物的通过率，并且通过传感器组采集的环境信息实现大型障碍物的避障功能。

动力系统由太阳能电池板与蓄电池组成，当探测器着陆后，太阳能电池板展开工作，为探测器提供动力来源并为蓄电池进行充电，当探测器所处火星半球处于夜晚时，由蓄电池接替太阳能电池板为系统进行供电。

机械臂采集部分的核心是一个高精度高耐受度的机械臂，能够采集到火星表面诸如岩石等样本，在回收探测器后携带样本返回地球，帮助科研人员对火星进行研究；无线通信模块的组成与微纳探测器上的通信模块相同，都能够与地面协同控制工作站进行通信，从而接收指令并传输数据。

着陆部分包括反推火箭及气囊，用于当火星探测器与多微纳探测器组网于火星固定高度的轨道分离后，借由火星的引力进行着陆工作。当火星探测器接近火星表面时，位于探测器底部的反推火箭启动并工作，朝探测器运动方向的相反方向进行喷射来减慢火星探测器的下降速度，在着陆碰撞之前底部的气囊充气，为着陆碰撞起到缓冲的作用来保护整个探测器系统。

图4为本公开实施地面协同控制工作站的结构示意图。如图4所示，地面协同控制工作站3包括决策模块和环境感知与事件辨识模块。地面协同控制工作站3设置于地球的科研工作站，用于控制整个系统的协同工作、微纳卫星组网队形变换和保持、火星探测器的运动与采集。具体地，决策模块包括系统故障决策模块、控制决策模块以及智能规划与决策模块。

其中，系统故障决策模块包含多微纳组网故降诊断模块与火星探测器故障诊断模块；控制决策模块包含多微纳组网队形变换、编队模块与探测器移动、避障、采集模块；智能规划与决策模块包含任务规划模块与行为决策模块。

环境感知与事件辨识模块，包括：第一传感器融合模块，用于将微纳卫星上的第一传感器组、第一北斗导航模块的数据进行融合，所述第一传感器组包括高清摄像头与星敏感器；第二传感器融合模块，用于将火星探测器上的第二传感器组、第二北斗导航模块的数据进行融合，所述第二传感器组包括温湿度传感器、双目视觉传感器及红外测距模块。

基于上述设置，地面协同控制工作站3能够根据当前数据信息对微纳卫星组网10与火星探测器2任务过程进行设计决策，在任务设计和规划过程中，采用以下的算法建立模型并优化。

示例性地，地面协同控制工作站3能够针对火星探测器的任务过程设计决策：首先，设计降阶干扰观测器估计并抵消多源干扰控制系统中的外部模型描述干扰；其次，设计具有H∞和保成本性能指标的控制器，其中H∞性能指标抑制系统的能量有界干扰，保成本性能指标抑制系统的随机干扰，并能优化方差的上界，在通过传感器获得探测器所处环境干扰数据的基础上建立了火星探测器工作和避障问题的优化模型，给出了火星探测器处于工作状态下的任务规划与行走运动的协调策略。

又例如，地面协同控制工作站3能够针对微纳卫星组网的轨道与编队决策问题：首先，利用分离设计方法构造复合分层抗干扰控制器；其次，基于凸优化算法求解复合分层抗干扰控制器增益阵；最后，采用多目标优化算法利用一种新型的子群体间合作方式，建立微纳卫星组网队形和轨道规划问题的多目标优化模型，给出了一种微纳卫星组网在火星轨道飞行时改变编队队形或改变轨道的优化模型。在所提算法中引入了基于问题先验知识的启发式群体初始化方法和删除、修复及平滑算子，使得算法能有效地对问题的多个性能指标同时进行优化；根据决策结果采取相应的控制策略和协同控制模型库4中相应的控制算法。

此外，地面协同控制工作站3还具有第三无线通信模块，通过第三无线通信模块接收微纳卫星组网10与火星探测器2传输的各自状态信息，使地面协同控制工作站3根据当前微纳卫星组网10与火星探测器2的状态信息对任务进行设计和规划，对微纳卫星组网与火星探测器进行调度，控制整个系统的通信，并根据协同任务需要，控制多微纳卫星组网保持和改变队形。

图5为本公开实施例协同控制模型库的结构示意图。如图5所示，协同控制模型库4包括多微纳卫星组网控制模型库以及火星探测器控制模型库，用于根据地面协同控制工作站的决策结果和控制策略提供相应的控制算法和控制模型。

具体地，多微纳卫星组网控制模型库用于构建微纳卫星组网，包括位置与轨控信息控制算法和模型、组网队形保持、变换和重构控制算法和模型以及多目标优化算法与抗干扰控制模型。

火星探测器控制模型库用于提供火星探测器运动与工作的控制算法和控制模型，包括火星探测器实现运动与工作的定位与导航控制算法和模型、运动避障控制算法与模型、采集工作控制算法与模型。

显示终端5为三维视景演示系统，与地面控制工作站3连接，实时显示协同工作、微纳卫星组网队形变换和保持等信息以及火星探测器的位置与复合多传感器采集到各类信息。本实施例中，显示终端1采用RS485串口通信，由于RS485具有差分结构，能够抑制共模干扰，并且传输距离比RS232更长。

本实施例中，第一无线通信模块、第二无线通信模块及第三无线通信模块用于实现太空中微纳卫星间信息传递、微纳卫星组网与火星探测器间的信息传递、微纳卫星组网和火星探测器与地面协同工作站之间的信息传递，为整个系统的指令收发与信息传递提供通信链路。

示例性的，所述第一无线通信模块、第二无线通信模块及第三无线通信模块包括发射天线、射频单元、基带处理单元和综合处理器。为了降低收发信号的质量体积，采用中频数字化的实现方式；由天线接收的信号先经过双工器处理，再经过射频单元进行中频信号处理，将中频输出信号通过基带信号处理后进行信道畸变处理，之后再经过综合处理器对信号进行处理。发射天线的发射信号处理过程与接收天线的接收信号相反。

第一北斗导航模块与第二北斗导航模块用于为火星探测器2提供定位与授时功能，并且实时测量不同的微纳卫星1之间的相对位置信息，相关的数据可以通过无线通信模块返回给地面协同控制工作站3。在定位过程中，基本原理是测量出已知位置的微纳卫星到火星探测器之间的距离数据，然后综合微纳卫星组网中多颗微纳卫星的数据就可确定火星探测器的具体位置，在测量过程中，获得的数据是北斗模块发射电磁波发射到火星探测器北斗模块接收电磁波的时间差。微纳卫星和火星探测器之间的距离通过光速乘以时间得到，也就是微纳卫星在火星轨道中向火星探测器发射信号，经过时间T火星探测器的接收机接收信号，那么两者之间的距离就是S＝V×T，可以得到火星探测器的位置。其中，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测方法。

图6为本公开实施例携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测方法的流程图。如图6所示，所述方法包括以下步骤。

S1，将火星探测器与微纳卫星通过运载火箭一同从地表发射，当微纳卫星达到火星规定高度的轨道后进行分离；

S2，微纳卫星组网在火星轨道上开始工作，为科学实验提供分布式平台，进行火星表面高清晰度图像采集工作，并实现为火星探测器提供定位等功能；

S3，与此同时，分离后的火星探测器收到火星引力的作用，利用所述微纳卫星组网采集的图像数据选定着陆场所，开始下降准备着陆，当到达设定高度时，探测器着陆部分的反推火箭开始工作降低系统的下降速度，着陆碰撞前探测器底部的气囊充气，在着陆瞬间提供缓冲作用；

S4，火星探测器着陆完成后，通过行走部分开始移动，并由传感器组采集火星表面的温湿度、高清视频信号等信息、由机械臂采集火星表面岩体样本，为深入研究火星提供科研数据。

在一些实施例中，所述携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测方法还包括：地面协同控制工作站3针对火星探测器的任务过程设计决策，具体包括以下步骤。

首先，设计降阶干扰观测器估计并抵消多源干扰控制系统中的外部模型描述干扰；

其次，设计具有H∞和保成本性能指标的控制器，其中，H∞性能指标抑制系统的能量有界干扰，保成本性能指标抑制系统的随机干扰，并能优化方差的上界。

由此，在通过传感器获得探测器所处环境干扰数据的基础上建立了火星探测器工作和避障问题的优化模型，给出了火星探测器处于工作状态下的任务规划与行走运动的协调策略。

在一些实施例中，所述携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测方法还包括：地面协同控制工作站3针对微纳卫星组网的轨道与编队决策问题，具体包括以下步骤。

利用分离设计方法构造复合分层抗干扰控制器；

基于凸优化算法求解复合分层抗干扰控制器增益阵；

采用多目标优化算法利用一种新型的子群体间合作方式，建立微纳卫星组网队形和轨道规划问题的多目标优化模型，给出一种微纳卫星组网在火星轨道飞行时改变编队队形或改变轨道的优化模型。在多目标优化模型算法中引入了基于问题先验知识的启发式群体初始化方法和删除、修复及平滑算子，使得算法能有效地对问题的多个性能指标同时进行优化；

根据决策结果采取相应的控制策略和协同控制模型库4中相应的控制算法。

进一步的，所述方法包括：第一北斗导航模块与第二北斗导航模块为火星探测器提供定位功能，包括以下步骤。

通过第一北斗导航模块与第二北斗导航模块的数据获取已知位置的微纳卫星到火星探测器之间的距离数据；

综合微纳卫星组网中多颗所述已知位置的微纳卫星的数据确定火星探测器的具体位置，其中，微纳卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。

为了达到简要说明的目的，上述实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。

本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，包括：

火星探测器(2)，用于采集火星表面的环境信息及获取火星岩体样本；

多个微纳卫星(1)，所述多个微纳卫星(1)形成微纳卫星组网(10)，运行于距离火星固定高度的轨道，并在所述轨道获取火星表面图像及定位信息，用于辅助火星探测器(2)进行探测工作；

地面协同控制工作站(3)，与所述火星探测器(2)及多个微纳卫星(1)进行无线通信，用于根据所述微纳卫星组网(10)与火星探测器(2)的状态信息对探测任务进行设计和规划，并对所述微纳卫星组网(10)与火星探测器(2)进行调度；

协同控制模型库(4)，包括多微纳卫星组网控制模型库以及火星探测器控制模型库，用于根据地面协同控制工作站(3)的决策结果和控制策略提供相应的控制算法和控制模型。

2.根据权利要求1所述的携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，其中，所述微纳卫星(1)包括：

第一传感器组，所述第一传感器组用于辅助火星探测器着陆及感知周边环境，以及为地面科研人员提供关于火星的科研数据；

第一导航模块，用于为微纳卫星(1)及火星探测器提供定位与导航功能，使得在火星探测器(2)下降过程中为火星探测器(2)提供定位服务；

第一无线通信模块，用于与所述地面的协同工作站(3)和火星探测器(2)进行通信；

轨道与飞行控制模块，所述轨道与飞行控制模块包括变轨发动机，用于控制飞行轨道或当前队形；以及能源动力系统。

3.根据权利要求2所述的携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，其中，所述火星探测器包括第二导航模块，所述第一导航模块与第二导航模块获取的数据相结合用于为火星探测器(2)提供定位功能。

4.根据权利要求3所述的携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，其中，所述的火星探测器(2)还包括行走部分、第二传感器组、第二无线通信模块、太阳能电池板动力系统、机械臂样本采集部分以及气囊与反推火箭着陆部分。

5.根据权利要求1所述的携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，其中，所述地面协同控制工作站(3)包括：

决策模块，所述决策模块包括：

系统故障决策模块，所述系统故障决策模块包含多微纳组网故障诊断模块与火星探测器故障诊断模块；

控制决策模块，所述控制决策模块包含多微纳组网队形变换、编队模块与探测器移动、避障、采集模块；以及

智能规划与决策模块，智能规划与决策模块包含任务规划模块与行为决策模块；

环境感知与事件辨识模块，包括：

第一传感器融合模块，用于将微纳卫星(1)上的第一传感器组、第一导航模块的数据进行融合，所述第一传感器组包括高清摄像头与星敏感器；

第二传感器融合模块，用于将火星探测器(2)上的第二传感器组、第二导航模块的数据进行融合，所述第二传感器组包括温湿度传感器、双目视觉传感器及红外测距模块。

6.根据权利要求1所述的携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，其中，所述协同控制模型库(4)包括：

多微纳卫星组网控制模型库，所述多微纳卫星组网控制模型库用于构建微纳卫星组网，包括位置与轨控信息控制算法和模型、组网队形保持、变换和重构控制算法和模型以及多目标优化算法与抗干扰控制模型；以及

火星探测器控制模型库，所述火星探测器控制模型库用于提供火星探测器运动与工作的控制算法和控制模型，包括火星探测器实现运动与工作的定位与导航控制算法和模型、运动避障控制算法与模型以及采集工作控制算法与模型。

7.根据权利要求1所述的携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统，还包括：

显示终端(5)，所述显示终端(5)与地面控制工作站(3)连接，用于实时显示协同工作、微纳卫星组网队形变换和保持等信息以及火星探测器的位置与微纳卫星及火星探测器的传感器采集的信息。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述携带多微纳卫星组网的无人智能火星探测系统的方法，包括：

将火星探测器与微纳卫星通过运载火箭一同从地表发射，当微纳卫星达到火星规定高度的轨道后进行分离；

微纳卫星组网在火星轨道上开始运行并工作，为科学实验提供分布式平台，并进行火星表面高清晰度图像的采集，以及为火星探测器提供定位及授时功能；

分离后的火星探测器收到火星引力的作用，利用所述微纳卫星组网采集的图像数据选定着陆场所，开始下降并着陆至火星表面；

火星探测器着陆完成后，通过行走部分开始移动，并由第二传感器组采集火星表面的环境信息，并采集火星表面岩体样本。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，还包括：微纳卫星的第一导航模块与火星探测器的第二导航模块为火星探测器提供定位功能，包括：

通过第一导航模块与第二导航模块的数据获取已知位置的微纳卫星到火星探测器之间的距离数据；

综合微纳卫星组网中多颗所述已知位置的微纳卫星的数据确定火星探测器的具体位置，其中，所述微纳卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中获取。

Images