CN113788162B - 一种高性能火星车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能火星车，包括主动悬挂移动系统、大面积太阳翼系统、高效探测系统、自主运行系统或自主休眠唤醒系统，通过主动悬挂移动系统，解决火星车与进入舱压紧分离、恶劣地形条件通过性问题；通过大面积太阳翼和自主休眠唤醒系统解决火面能源不足问题；通过高效探测系统、自主运行系统、自主休眠唤醒系统解决火面通信严重受限情况下高效安全巡视探测问题。

Description

一种高性能火星车
技术领域
本发明属于火星探测技术领域，特别涉及一种高性能火星车。
背景技术
火星车经历地火转移、火星捕获、EDL段后，着陆火星表面。着陆后火星车需完成与进入舱分离、火面发电、火面巡视探测等工作，并与环绕器、地球通信，将火面工作、探测数据传回地面。
相对于月面，火面巡视探测至少存在地面条件恶劣、能源不足、通信严重受限三类困难。
a)地面条件恶劣
火面地形更加崎岖，石块分布密度约为月面的2倍，土壤存在由于风化导致的表层坚硬、里层松散情况，具有一定的视觉欺骗性，美国勇气号火星车就曾因车轮下陷导致永久丧失移动能力，因此传统的被动悬架不能确保火星车安全移动。
b)能源不足
太阳能发电是火星车唯一的能源来源，火面光照较弱，即使在晴朗天气下(光深0.5)，火面光照强度也仅为月面的1/3；同时，相对于真空环境，火面大气环境也将增加夜晚热控对电能的消耗。此外，火面存在不可预知的沙尘天气，严重时持续时间达到1年之久，光深接近10，机遇号火星车曾因遭遇沙尘而永久失联，因此火星车全任务周期均面临能源不足的威胁。
c)通信严重受限
火星车着陆初期，环绕器由于轨道约束，无法为火星车提供中继通信服务。火星车初始状态建立及感知、探测等工作无法通过地火实时交互完成。环绕器调整到中继轨道后，地面仅能通过每日两次的中继通信窗口上注指令、下传数据，火星车工作期间地面仍无法实时监控。
综上，传统巡视器以遥操作为主的控制方式不适应火星巡视探测任务，火星车需要开展创新性设计，解决火星高效巡视探测与安全生存问题。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高性能火星车，包括主动悬挂移动系统、大面积太阳翼系统、高效探测系统、自主运行系统或自主休眠唤醒系统，如图1所示，通过主动悬挂移动系统，解决火星车与进入舱压紧分离、恶劣地形条件通过性问题；通过大面积太阳翼和自主休眠唤醒系统解决火面能源不足问题；通过高效探测系统、自主运行系统、自主休眠唤醒系统解决火面通信严重受限情况下高效安全巡视探测问题，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
一种高性能火星车，包括高效探测系统，所述高效探测系统包括载荷控制器、探测载荷以及工作模式表数据库；
所述载荷控制器实施对各载荷的控制、数据收集及传送；所述探测载荷用于实施火星探测任务；所述工作模式表数据库存储有所有工作模式表，各工作模式表中分别存储有指示相应探测载荷工作的指令信息；载荷控制器收到地面发送的工作模式表运行指令后，调用对应的工作模式表中指令信息，并将指令信息分解为相应探测载荷的工作指令，探测载荷自主进行健康状态、能源和温度的自查评估，通过评估后将是否能够正确执行或取消任务信息发送至载荷控制器，载荷控制器控制相应探测载荷按既定的工作模式表中规定的工作项目工作或删除任务。
进一步地，所述高性能火星车包括自主运行系统，所述自主运行系统包括周期工作系统；所述周期工作系统预设有正常工作周期任务模板、最小周期任务模板、唤醒周期任务模板；所述正常工作周期任务模板中预设有火星车在正常工作模式下的周期性任务，用于在正常工作模式下运行；所述最小周期任务模板中预设有火星车在最小工作模式下的周期性任务，用于在最小工作模式下运行；所述唤醒周期任务模板预设有火星车休眠模式转换至最小工作模式时的周期性任务，用于在休眠模式转换至最小工作模式时运行。
进一步地，所述自主运行系统还包括自主时间维护系统，所述自主时间维护系统在火星车唤醒后或器载时间出现异常后，自主根据太阳角度、车体姿态，计算火星地方时，并更新火星车器载时间；具体地，所述自主时间维护系统的工作方式如下：
首先太阳敏感器自主加电，得到太阳敏感器安装矩阵及太阳敏感结果；根据太阳敏感器安装矩阵及太阳敏感结果，得出火星车控制本体坐标系下的太阳方向矢量；根据休眠前火星车的姿态角即偏航角θyaw、俯仰角θpitch、滚动角θroll，将太阳方向矢量由火星车控制本体坐标系转换至火星表面北东地坐标系；将太阳方向矢量由火星表面北东地坐标系转换至火星表面天东北坐标系；根据火星车所在的经纬度即经度θlon、纬度θlat，将太阳方向矢量由火星表面天东北坐标系转换至火星固连坐标系，计算得到太阳在火星上的赤经，根据太阳赤经判定火星地方时，并更新火星车器载时间。
进一步地，所述高性能火星车包括自主休眠唤醒系统，所述自主休眠唤醒系统包括休眠检测系统，所述休眠检测系统用于在检测到沙尘后调整正常工作模式为最小工作模式或休眠模式。
进一步地，所述休眠检测系统的工作方式包括如下步骤：
(1)火星车检测火星白昼，当检测到太阳翼发电电流I>1.2时，认为当前处于白昼，进行休眠判断；
(2)休眠判断设置两个光深条件阈值，分别为第一阈值τ1和第二阈值τ2，τ2＞τ1；第一阈值τ1对应轻度沙尘天气，反映火星车发电与正常工作能耗平衡；第二阈值τ2对应重度沙尘天气，反映火星车发电与最小工作能耗平衡；第一阈值τ1设定为正常工作模式与最小工作模式的转换阈值，第二阈值τ2设定为正常工作模式或最小工作模式与休眠的转换阈值；
检测到τ1＜τ≤τ2，说明当日可能遭遇轻度沙尘，火星车进入最小工作模式，并使τ*＝τ；在下一次触发休眠判断时，检测当前火星表面光深τ：①如果检测到τ＞τ*，火星车立刻进入休眠；②如果检测到τ1＜τ≤τ*，则认为当日光照条件有所好转，不进行休眠，火星车继续维持最小工作模式；③如果检测到τ＜τ1，则认为光照条件较好，此时火星车转入正常工作模式。
如果检测到τ＞τ2，说明当日遭遇重度沙尘，火星车立刻进行休眠。
否则，火星车维持当前工作状态不变。
步骤1，假定火星无大气，在不考虑光深的情况下，确定理想发电功率；
步骤2，获取火星车的电池板电压和电流遥测数据，根据电池板电压和电流遥测数据，确定实际发电功率；
步骤3，通过实际发电功率值和理想发电功率值，得出类比系数C；
步骤4，根据类比系数C和当时的太阳高度角θ，确定大气光深τ；
Figure GDA0003643279320000041
式中，A为反照率，f(θ，τ，A)为规范化净热流函数，q为直射光参与到电池阵发电的光效率，k为散射光参与到电池阵发电的光效率，上述参数均为常数。
进一步地，上述步骤1中，确定理想发电功率的步骤，包括以下子步骤：
步骤1.1，确定太阳翼的太阳入射角αzya；
步骤1.2，根据太阳翼的太阳入射角αzya、太阳翼展平时的发电功率Pzya0和发电效率YMPPT，确定太阳翼的理想发电功率Pzya_lx，Pzya_lx＝Pzya0×cos(αzya)×YMPPT。
进一步地，上述步骤1.1中，确定太阳翼的太阳入射角αzya的步骤，包括以下子步骤：
步骤1.1.1，确定日心黄道坐标系中火星位置，然后依次经过国际天文参考坐标系、火星固联坐标系、火星表面天东北坐标系、火星表面北东地坐标系、火星车控制本体坐标系转换，得到火星车控制本体坐标系下火星到太阳的单位方位矢量rsb；
步骤1.1.2，确定火星车控制本体坐标系下电池面法线的方向矢量rs1，根据火星车控制本体坐标系下电池面法线的方向矢量rs1及火星到太阳的单位方位矢量rsb，得到太阳翼的太阳入射角αzya。
进一步地，上述步骤1.1.2中，太阳翼的太阳入射角αzya，通过以下方式确定：
太阳翼展开θzya时，其电池面法线的方向矢量在火星车控制本体坐标系下的表示为：
rs1＝Rx(-θzya)·rs0
式中，rs0为火星车控制本体坐标系下太阳翼在零位时的电池面法线矢量；
则太阳翼电池面法线和太阳光的夹角，即太阳翼的太阳入射角αzya为：
αzya＝arccos(rs1 T·rsb)。
进一步地，所述自主休眠唤醒系统还包括唤醒电路，用于将火星车从断电休眠模式转换至加电唤醒模式，唤醒电路包括唤醒继电器线包模块、温度继电器、唤醒继电器和唤醒电阻以及电路板，唤醒电阻与温度继电器串联，同时与唤醒继电器、唤醒继电器线包模块并联；当舱内温度达到温度阈值后，温度继电器闭合，太阳翼发电通过电路板流入唤醒电阻中，产生的压差作用在唤醒继电器线包模块两端，当达到一定阈值后，唤醒线包模块驱动唤醒继电器闭合，电流通过负载，整器加电唤醒。
进一步地，所述高性能火星车包括大面积太阳翼系统，所述大面积太阳翼系统包括左右两片蝶形太阳翼和后侧两片蝶形太阳翼，四片蝶形太阳翼的力臂系数η＝1.6，左右两片蝶形太阳翼通过驱动机构实现展开和收拢，后侧两片蝶形太阳翼通过弹簧机构实现一次性展开；四片蝶形太阳翼收拢时，左右两片蝶形太阳翼先收拢压紧在顶板上，后面两片蝶形太阳翼再收拢压紧在左右两片蝶形太阳翼上，收拢后外形与顶板完全吻合。
进一步地，所述高性能火星车包括主动悬架移动系统，主动悬架移动系统包括六个车轮、左右两套主动悬挂、差速器和车厢，左右两套主动悬挂均包括主摇臂A杆、主摇臂B杆、副摇臂、离合器和夹角调节机构；主摇臂A杆和主摇臂B杆通过夹角调节机构连接，用于实现主摇臂A杆和主摇臂B杆相对车厢的对称转动，从而调整主摇臂A杆和主摇臂B杆间的夹角；主摇臂B杆和副摇臂通过离合器连接，用于实现两者之间的转动或固定；左右夹角调节机构与差速器连接，差速器与车厢固连；通过夹角调节机构，实现主摇臂A杆和主摇臂B杆运动，抬高或降低车厢。
根据本发明提供的一种高性能火星车，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种高性能火星车，通过高效探测系统，地面仅需指定探测目标，大量控制指令由载荷控制器调用器载工作模式表数据库完成，避免了传统巡视器通过大量的地面指令控制探测任务的实施，可解决地火通信码速率受限情况下的多载荷高效探测问题；
(2)本发明提供的一种高性能火星车，通过自主运行系统，避免了传统巡视器工作均需由地面指令控制，有效解决了地火通信链路异常、日凌等情况下，火星车安全工作问题；
(3)本发明提供的一种高性能火星车，通过自主休眠唤醒系统，火星车自主检测沙尘程度，自主选择进入最小工作或断电休眠状态，沙尘过后自主唤醒，解决火星车遭遇沙尘天气后的能源安全问题；
(4)本发明提供的一种高性能火星车，通过大面积太阳翼系统，由于太阳翼质心距离展开轴距离短，开展后抗运动颠簸能力强，收拢后能够与顶板较好的贴合，不占用额外的空间；
(5)本发明提供的一种高性能火星车，通过主动悬架系统，具有两级通过性能力，正常运动时，主动悬架处于标称位置，具有常规越障、爬坡能力；在驶入危险地形后，可通过主动悬架运动将车体升高、降低，从而提高越障、爬坡能力，确保可靠驶出。另外，通过主动悬架运动，实现车体与着陆平台压紧、分离，不需要额外设计抬升机构，系统重量最优。
附图说明
图1为本发明中一种高性能火星车的组成及功能架构图；
图2为高效探测系统工作流程；
图3为周期工作系统执行流程；
图4为休眠检测系统工作流程；
图5为唤醒电路示意图；
图6为传统太阳翼(a)和本发明中太阳翼(b)结构示意图；
图7为主动悬挂移动系统示意图；
图8为车体升降功能及效果。
附图标号说明
1-主摇臂A杆；2-夹角调节机构；3-主摇臂B杆；4-离合器；5-副摇臂；6-差速器；7-车厢。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种高性能火星车，如图2所示，包括高效探测系统，所述高效探测系统包括载荷控制器、探测载荷以及为高效探测设计的工作模式表数据库；所述载荷控制器实施对各载荷的控制、数据收集及传送；所述探测载荷包括多光谱相机、表面成分探测仪、气象仪、磁场仪、次表层雷达，用于实施火星探测任务；所述工作模式表数据库存储有所有工作模式表，各工作模式表中分别存储有指示相应探测载荷工作的指令信息；载荷控制器收到地面发送的工作模式表运行指令后，调用对应的工作模式表中指令信息，并将指令信息分解为相应探测载荷的工作指令，探测载荷自主进行健康状态、能源和温度的自查评估，通过评估后将是否可正确执行或取消任务信息发送至载荷控制器，载荷控制器控制相应探测载荷按既定的工作模式表中规定的工作项目工作或删除任务。
例如，假定载荷控制器收到地面发送的工作模式表运行指令，如图2中流程1所示。载荷控制器调用工作模式表1中指令信息，如图2中流程2所示，并分解为多光谱相机和表面成分探测仪工作指令，如图2中流程3、4所示。多光谱相机和表面成分探测仪自主进行健康状态、能量和温度自查评估，如图2中流程5所示，通过评估后将是否可正确执行或取消任务信息发送至载荷控制器，如图2中流程6所示。载荷控制器控制多光谱相机和表面成分探测仪按既定的工作模式表1规定的工作项目工作或删除任务，如图2中流程7、8所示。
本发明中，所述高性能火星车包括自主运行系统，所述自主运行系统包括周期工作系统，如图3所示，周期工作系统预设有正常工作周期任务模板、最小周期任务模板、唤醒周期任务模板；所述正常工作周期任务模板中预设有火星车在正常工作模式下的周期性任务，用于在正常工作模式下运行；所述最小周期任务模板中预设有火星车在最小工作模式下的周期性任务，用于在最小工作模式下运行；所述唤醒周期任务模板预设有火星车休眠模式转换至最小工作模式时的周期性任务，用于在休眠模式转换至最小工作模式时运行。其中，正常工作模式主要包括移动、探测、感知、通信(如X频段和UHF频段通信任务)、平台维持等任务；最小工作模式主要包括通信、平台维持等任务；休眠模式，火星车断电不工作。
通过自主运行系统，火星车自主根据火星地方时开展周期性工作，同时根据自主能源评估和故障检测结果，选择执行正常工作模式，或转入最小工作模式或休眠模式，确保火星车在通信、能源故障时，仍处于安全状态。在能源充足、火星地方时正常且故障监测通过时，火星车正常工作，指令任务和正常工作周期任务模板中预设的周期任务同时进行。在能源充足、火星地方时正常但非周期任务设备故障后，火星车自主退出指令任务，保留正常工作周期任务模板中预设的周期任务，维持基本的工作，等待地面处理。能源不足，火星车进入最小工作模式或休眠模式。光照及温度满足要求后进入唤醒工作模式，运行唤醒周期任务模板中预设的周期任务，火星车唤醒，与环绕器自主通信后进入最小工作模式，等待地面处置。
在一种优选的实施方式中，所述自主运行系统还包括自主时间维护系统，所述自主时间维护系统在火星车唤醒后或器载时间出现异常后，自主根据太阳角度、车体姿态，计算火星地方时，并更新火星车器载时间。具体地，所述自主时间维护系统的工作方式如下：
首先太阳敏感器自主加电，得到太阳敏感器安装矩阵及太阳敏感结果；根据太阳敏感器安装矩阵及太阳敏感结果，得出火星车控制本体坐标系下的太阳方向矢量；根据休眠前火星车的姿态角即偏航角θyaw、俯仰角θpitch、滚动角θroll，将太阳方向矢量由火星车控制本体坐标系转换至火星表面北东地坐标系；将太阳方向矢量由火星表面北东地坐标系转换至火星表面天东北坐标系；根据火星车所在的经纬度即经度θlon、纬度θlat，将太阳方向矢量由火星表面天东北坐标系转换至火星固连坐标系，计算得到太阳在火星上的赤经，根据太阳赤经判定火星地方时，并更新火星车器载时间。
本发明中，如图4所示，所述高性能火星车包括自主休眠唤醒系统，所述自主休眠唤醒系统包括休眠检测系统，所述休眠检测系统用于实施正常工作模式、最小工作模式或休眠模式之间的转换，如在检测到沙尘后调整正常工作模式为最小工作模式或休眠模式，保证火星车能够保留尽可能多的电能。具体地，所述休眠检测系统的工作方式具体包括如下步骤：
(1)火星车检测火星白昼，当检测到太阳翼发电电流I>1.2时，认为当前处于白昼，进行休眠判断，具体见(2)。
(2)休眠判断设置两个光深条件阈值，分别为第一阈值τ1和第二阈值τ2，τ2＞τ1；第一阈值τ1对应轻度沙尘天气，反映火星车发电与正常工作能耗平衡；第二阈值τ2对应重度沙尘天气，反映火星车发电与最小工作能耗平衡。第一阈值τ1设定为正常工作模式与最小工作模式的转换阈值，第二阈值τ2设定为正常工作模式或最小工作模式与休眠的转换阈值；
(2.1)检测到τ1＜τ≤τ2，说明当日可能遭遇轻度沙尘，火星车进入最小工作模式，并使τ*＝τ；在下一次触发休眠判断时，检测当前火星表面光深τ：①如果检测到τ＞τ*，火星车立刻进入休眠；②如果检测到τ1＜τ≤τ*，则认为当日光照条件有所好转，不进行休眠，火星车继续维持最小工作模式；③如果检测到τ＜τ1，则认为光照条件较好，此时火星车转入正常工作模式；
(2.2)如果检测到τ＞τ2，说明当日遭遇重度沙尘，火星车立刻进行休眠；
(2.3)否则，火星车维持当前工作状态不变。
在本发明一种优选的实施方式中，火星表面光深的测定方法，包括如下步骤：
步骤1，假定火星无大气，在不考虑光深的情况下，确定理想发电功率；
步骤2，获取火星车的电池板电压和电流遥测数据，根据电池板电压和电流遥测数据，确定实际发电功率；
步骤3，通过实际发电功率值和理想发电功率值，得出类比系数C；
步骤4，根据类比系数C、太阳光高度角θ和反照率A，确定光深τ；
Figure GDA0003643279320000101
式中，A为反照率，f(θ，τ，A)为规范化净热流函数，q为直射光参与到电池阵发电的光效率，k为散射光参与到电池阵发电的光效率，上述参数均为常数。
(1)确定理想发电功率
假定火星无大气，在不考虑光深的情况下，确定理想发电功率，包括下列步骤：
1.1)确定+Y太阳翼A的太阳入射角
表达式(1)中rs_angle_solve为太阳翼入射角函数。根据时刻(t)、火星车所处火星面的经度、纬度(θlon,θlat)、火星车姿态(θyaw,θpitch,θroll)，+Y太阳翼A展开角度θzya，可以获得该太阳翼的太阳入射角αzya。
αzya＝rs_angle_solve(t,θlon,θlat,θyaw,θpitch,θroll,θzya) (1)
1.1.1)火星车控制本体坐标系下火星到太阳的单位方位矢量
首先在日心黄道坐标系中求得火星位置，然后经过一系列坐标转换(日心黄道坐标系→国际天文参考坐标系→火星固联坐标系→火星表面天东北坐标系→火星表面北东地坐标系→火星车控制本体坐标系)，得到火星车控制本体坐标系下火星到太阳的单位方位矢量。
1.1.1.1)日心黄道坐标系中火星位置的确定
表达式(2)中position_solve为t时刻火星在日心黄道坐标系中的位置函数。根据时刻(t)、火星轨道参数(a0,e0,i0,Ω0,
Figure GDA0003643279320000111
L0,
Figure GDA0003643279320000112
)，可以求解火星位置(x,y,z)。
Figure GDA0003643279320000113
对于太阳系内的行星，已知J2000.0时刻的轨道半长轴a0、轨道偏心率e0、轨道倾角i0、升交点赤经Ω0、近日点经度
Figure GDA0003643279320000114
平经度L0，平均变化率
Figure GDA0003643279320000115
Figure GDA0003643279320000116
时刻t的轨道根数通过如下方法确定：
ΔT＝{[JED(T0)-JED(2000.0_UTC)]+t/24/3600}/cy (3)
ΔT单位为儒略世纪，JED表征儒略历书日，T0是器上零时刻
Figure GDA0003643279320000117
Figure GDA0003643279320000118
Figure GDA0003643279320000121
Figure GDA0003643279320000122
Figure GDA0003643279320000123
Figure GDA0003643279320000124
近日点幅角ω：
Figure GDA0003643279320000125
平近点角M：
Figure GDA0003643279320000126
平近点角M和偏近点角E满足如下关系(公式(12)，(13)中角度单位为弧度时才成立，需要先将角度转换为弧度，求解完成后再转换为度)：
M＝M×π/180，单位转换为弧度；
M＝E-e×sinE (12)
使用如下近似的级数计算式：
Figure GDA0003643279320000127
E＝E×180/π，单位转换为度；
真近点角f：
Figure GDA0003643279320000128
轨道轴距r：
Figure GDA0003643279320000129
在环日轨道平面坐标系中，火星的位置坐标：
Figure GDA00036432793200001210
在日心黄道坐标系中，火星的位置坐标为：
Figure GDA0003643279320000131
1.1.1.2)坐标转换
根据火星的位置坐标确定火星位置矢量，记火星位置矢量为：
Figure GDA0003643279320000132
式中，xm、ym、zm分别为日心黄道坐标系中火星的位置坐标；
对其进行正交化，得到太阳到火星的单位方位矢量：
Figure GDA0003643279320000133
火星到太阳的单位方位矢量为：
rm_s_N＝-rs_m_N (20)
将火星到太阳的单位方位矢量rm_s_N由日心黄道坐标系变换至国际天文参考坐标系(ICRF)：
rm_s_N_1＝Rx(-is_e)·rm_s_N (21)
式中，is_e为J2000.0时刻黄赤交角；
将火星到太阳的单位方位矢量rm_s_N_1由国际天文参考坐标系(ICRF)变换至火星固连坐标系：
rm_s_N_2＝Rz(W_mars)·Rx(90-δ0_mars)·Rz(90+α0_mars)·rm_s_N_1 (22)
式中，W_mars为轨道与标准赤道交点到0°经线距离；δ0_mars为火星北极在ICRF中的赤纬；α0_mars为火星北极在ICRF中的赤经；
将火星到太阳的单位方位矢量rm_s_N_2由火星固连系变换至火星表面天东北坐标系：
rm_s_N_3＝Ry(-θlat)·Rz(θlon)·rm_s_N_2 (23)
式中，θlon,θlat分别为火星车所处火星表面的经度、纬度；
将火星到太阳的单位方位矢量rm_s_N_3由火星表面天东北坐标系变换至火星表面北东地坐标系：
rm_s_N_4＝Ry(-90)·rm_s_N_3 (24)
将火星到太阳的单位方位矢量rm_s_N_4由火星表面北东地坐标系转换至火星车控制本体坐标系：
rsb＝Rx(θroll)·Ry(θpitch)·Rz(θyaw)·rm_s_N_4 (25)
式中，θyaw,θpitch,θroll分别为火星车偏航角、俯仰角和翻滚角。
1.1.2)太阳翼太阳入射角的确定
太阳翼在零位时(含±太阳翼A、±太阳翼B、体装太阳翼)，其电池面法线矢量在火星车控制本体坐标系下的表示为：
Figure GDA0003643279320000141
太阳翼转轴与车体X轴平行。太阳翼展开θzya时(±Y太阳翼B、体装太阳翼展开角度认为是180°)，其电池面法线的方向矢量在火星车控制本体坐标系下的表示为：
rs1＝Rx(-θzya)·rs0 (27)
则太阳翼电池面法线和太阳光的夹角(入射角)αzya为：
αzya＝arccos(rs1 T·rsb) (28)
1.2)+Y太阳翼A发电功率的确定
Pzya_lx＝Pzya0×cos(αzya)×YMPPT (29)
式中，Pzya0为太阳翼展平时的发电功率，YMPPT为发电效率。
(2)确定实际发电功率
采集火星车遥测数据，计算获取实际发电功率。+Y太阳翼A的发电功率的实际值为：
Pya_sj＝Umx×I1 (30)
式中，Umx和I1分别为+Y太阳翼A电池板电压和电流遥测数据。
(3)确定类比系数C
由实际功率和理想功率可得出类比系数C：
C＝Pya_sj/Pzya_lx (31)
(4)确定光深τ
4.1)光深τ与太阳光直射辐照度关系如下：
Figure GDA0003643279320000151
式中，F0为火星大气表层受到的太阳辐照度，θ为太阳光高度角，τ为大气光深，Fdir为火星表面太阳直射辐照度。
光深与太阳光散射辐照度关系如下：
Figure GDA0003643279320000152
式中，Fdiff为火星表面太阳散射辐照度，f(θ，τ，A)为规范化净热流函数，A为反照率。
4.2)类比系数C与光深τ
Figure GDA0003643279320000153
式中，q为直射光参与到电池阵发电的光效率，k为散射光参与到电池阵发电的光效率。
由地面试验可知，直射光的100％以及散射光的50％参与到电池阵发电，即q为1，k为0.5。
4.3)光深τ的确定
求得类比系数C，同时已知θ和A，则由表达式(34)可迭代求得光深τ。
在本发明一种优选的实施方式中，如图5所示，所述自主休眠唤醒系统还包括唤醒电路，用于将火星车从断电休眠模式转换至加电唤醒模式，唤醒电路包括唤醒继电器线包模块、温度继电器、唤醒继电器和唤醒电阻以及电路板，唤醒电阻与温度继电器串联，同时与唤醒继电器、唤醒继电器线包模块并联；当舱内温度达到温度阈值后，温度继电器闭合，太阳翼发电通过电路板流入唤醒电阻中，产生的压差作用在唤醒继电器线包模块两端，当达到一定阈值后，唤醒线包模块驱动唤醒继电器闭合，电流通过负载，整器加电唤醒。
在本发明中，所述高性能火星车还包括大面积太阳翼系统，如图6所示，所述大面积太阳翼系统包括四片蝶形太阳翼，左右两片蝶形太阳翼通过驱动机构实现展开、收拢，后侧两片蝶形太阳翼通过弹簧机构实现一次性展开。四片蝶形太阳翼收拢时，左右两片蝶形太阳翼先收拢压紧在顶板上，后面两片蝶形太阳翼再收拢压紧在左右两片蝶形太阳翼上，压紧后太阳翼可与顶板较好的贴合，收拢后外形与顶板完全吻合，不占用额外的空间。四片蝶形太阳翼展开后，互不干涉。
与传统太阳翼相比，蝴蝶太阳翼抗颠簸性能优良，证明如下：
采用太阳翼面积倍率法来评价太阳翼抗颠簸能力。基于最短力臂原则，抗颠簸最理想的太阳翼方案为顶板向外等边距扩展的环带太阳翼，即理想太阳翼，如图6a)所示。以传统双侧矩形太阳翼为例，假设太阳翼面积为顶板的2倍，则理想太阳翼质心线到顶板的边缘距离为L1，实际太阳翼质心线到顶板的边缘距离为L2
Figure GDA0003643279320000161
Figure GDA0003643279320000162
式中，a为顶板长度，b为顶板宽度。
定义η为力臂系数，
Figure GDA0003643279320000163
η越小，则太阳翼质心力臂越短，理论最优值为1。
按传统巡视器顶板长度b为宽度a的1.5倍计算，则η＝2.3。
仿真确定四片蝶形太阳翼η＝1.6，参见图6b)，表明抗颠簸性能明显优于传统双侧矩形太阳翼。
在本发明中，所述高性能火星车还包括主动悬架移动系统，如图7所示，包括六个车轮、左右两套主动悬挂、差速器6和车厢7，左右两套主动悬挂均包括主摇臂A杆1、主摇臂B杆3、副摇臂5、离合器4和夹角调节机构2；主摇臂A杆1和主摇臂B杆3通过夹角调节机构2连接，用于实现主摇臂A杆1和主摇臂B杆3相对车厢7的对称转动，从而调整主摇臂A杆1和主摇臂B杆3间的夹角；主摇臂B杆3和副摇臂5通过离合器4连接，用于实现两者之间的转动或固定；左右夹角调节机构2与差速器6连接，差速器6与车厢7固连。通过夹角调节机构2，可实现主摇臂A杆1和主摇臂B杆3运动，从而抬高或降低车厢7。火星车着陆前，车厢7降低到进入舱着陆平台顶面，着陆后抬升到标称位置，具体见图8a)、图8b)。火星车爬坡时，通过将车厢7降低，可改善轮载不均匀性，从而提高爬坡能力，具体见图8c)、图8d)。火星车遇到障碍时，通过将车厢7升高，避免车厢7与障碍碰撞，具体见图8e)、图8f)。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种高性能火星车，其特征在于，包括高效探测系统，所述高效探测系统包括载荷控制器、探测载荷、自主运行系统、大面积太阳翼系统、主动悬架移动系统、自主时间维护系统，以及工作模式表数据库；
所述载荷控制器实施对各载荷的控制、数据收集及传送；所述探测载荷用于实施火星探测任务；所述工作模式表数据库存储有所有工作模式表，各工作模式表中分别存储有指示相应探测载荷工作的指令信息；载荷控制器收到地面发送的工作模式表运行指令后，调用对应的工作模式表中指令信息，并将指令信息分解为相应探测载荷的工作指令，探测载荷自主进行健康状态、能源和温度的自查评估，通过评估后将是否能够正确执行或取消任务信息发送至载荷控制器，载荷控制器控制相应探测载荷按既定的工作模式表中规定的工作项目工作或删除任务；
大面积太阳翼系统包括左右两片蝶形太阳翼和后侧两片蝶形太阳翼，四片蝶形太阳翼的力臂系数η＝1.6，左右两片蝶形太阳翼通过驱动机构实现展开和收拢，后侧两片蝶形太阳翼通过弹簧机构实现一次性展开；四片蝶形太阳翼收拢时，左右两片蝶形太阳翼先收拢压紧在顶板上，后面两片蝶形太阳翼再收拢压紧在左右两片蝶形太阳翼上，收拢后外形与顶板完全吻合；
主动悬架移动系统包括六个车轮、左右两套主动悬挂、差速器(6)和车厢(7)，左右两套主动悬挂均包括主摇臂A杆(1)、主摇臂B杆(3)、副摇臂(5)、离合器(4)和夹角调节机构(2)；主摇臂A杆(1)和主摇臂B杆(3)通过夹角调节机构(2)连接，用于实现主摇臂A杆(1)和主摇臂B杆(3)相对车厢(7)的对称转动，从而调整主摇臂A杆(1)和主摇臂B杆(3)间的夹角；主摇臂B杆(3)和副摇臂(5)通过离合器(4)连接，用于实现两者之间的转动或固定；左右夹角调节机构(2)与差速器(6)连接，差速器(6)与车厢(7)固连；通过夹角调节机构(2)，实现主摇臂A杆(1)和主摇臂B杆(3)运动，抬高或降低车厢(7)；
自主运行系统包括周期工作系统；所述周期工作系统预设有正常工作周期任务模板、最小周期任务模板、唤醒周期任务模板；所述正常工作周期任务模板中预设有火星车在正常工作模式下的周期性任务，用于在正常工作模式下运行；所述最小周期任务模板中预设有火星车在最小工作模式下的周期性任务，用于在最小工作模式下运行；所述唤醒周期任务模板预设有火星车休眠模式转换至最小工作模式时的周期性任务，用于在休眠模式转换至最小工作模式时运行；
自主时间维护系统，所述自主时间维护系统在火星车唤醒后或器载时间出现异常后，自主根据太阳角度、车体姿态，计算火星地方时，并更新火星车器载时间；具体地，所述自主时间维护系统的工作方式如下：
首先太阳敏感器自主加电，得到太阳敏感器安装矩阵及太阳敏感结果；根据太阳敏感器安装矩阵及太阳敏感结果，得出火星车控制本体坐标系下的太阳方向矢量；根据休眠前火星车的姿态角即偏航角θyaw、俯仰角θpitch、滚动角θroll，将太阳方向矢量由火星车控制本体坐标系转换至火星表面北东地坐标系；将太阳方向矢量由火星表面北东地坐标系转换至火星表面天东北坐标系；根据火星车所在的经纬度即经度θlon、纬度θlat，将太阳方向矢量由火星表面天东北坐标系转换至火星固连坐标系，计算得到太阳在火星上的赤经，根据太阳赤经判定火星地方时，并更新火星车器载时间。
2.根据权利要求1所述的高性能火星车，其特征在于，所述高性能火星车包括自主休眠唤醒系统，所述自主休眠唤醒系统包括休眠检测系统，所述休眠检测系统用于在检测到沙尘后调整正常工作模式为最小工作模式或休眠模式。
3.根据权利要求2所述的高性能火星车，其特征在于，所述休眠检测系统的工作方式包括如下步骤：
(1)火星车检测火星白昼，当检测到太阳翼发电电流I>1.2时，认为当前处于白昼，进行休眠判断；
(2)休眠判断设置两个光深条件阈值，分别为第一阈值τ1和第二阈值τ2，τ2＞τ1；第一阈值τ1对应轻度沙尘天气，反映火星车发电与正常工作能耗平衡；第二阈值τ2对应重度沙尘天气，反映火星车发电与最小工作能耗平衡；第一阈值τ1设定为正常工作模式与最小工作模式的转换阈值，第二阈值τ2设定为正常工作模式或最小工作模式与休眠的转换阈值；
检测到τ1＜τ≤τ2，说明当日遭遇轻度沙尘，火星车进入最小工作模式，并使τ*＝τ；在下一次触发休眠判断时，检测当前火星表面光深τ：①如果检测到τ＞τ*，火星车立刻进入休眠；②如果检测到τ1＜τ≤τ*，则认为当日光照条件有所好转，不进行休眠，火星车继续维持最小工作模式；③如果检测到τ＜τ1，则认为光照条件较好，此时火星车转入正常工作模式；
如果检测到τ＞τ2，说明当日遭遇重度沙尘，火星车立刻进行休眠；
否则，火星车维持当前工作状态不变。
4.根据权利要求3所述的高性能火星车，其特征在于，所述火星表面光深的测定方法，包括如下步骤：
步骤1，假定火星无大气，在不考虑光深的情况下，确定理想发电功率；
步骤2，获取火星车的电池板电压和电流遥测数据，根据电池板电压和电流遥测数据，确定实际发电功率；
步骤3，通过实际发电功率值和理想发电功率值，得出类比系数C；
步骤4，根据类比系数C和当时的太阳高度角θ，确定大气光深τ；
Figure FDA0003643279310000031
式中，A为反照率，f(θ，τ，A)为规范化净热流函数，q为直射光参与到电池阵发电的光效率，k为散射光参与到电池阵发电的光效率，反照率、直射光参与到电池阵发电的光效率和散射光参与到电池阵发电的光效率均为常数。
5.根据权利要求4所述的高性能火星车，其特征在于，步骤1中，确定理想发电功率的步骤，包括以下子步骤：
步骤1.1，确定太阳翼的太阳入射角αzya；
步骤1.2，根据太阳翼的太阳入射角αzya、太阳翼展平时的发电功率Pzya0和发电效率YMPPT，确定太阳翼的理想发电功率Pzya_lx，Pzya_lx＝Pzya0×cos(αzya)×YMPPT。
6.根据权利要求5所述的高性能火星车，其特征在于，步骤1.1中，确定太阳翼的太阳入射角αzya的步骤，包括以下子步骤：
步骤1.1.1，确定日心黄道坐标系中火星位置，然后依次经过国际天文参考坐标系、火星固联坐标系、火星表面天东北坐标系、火星表面北东地坐标系、火星车控制本体坐标系转换，得到火星车控制本体坐标系下火星到太阳的单位方位矢量rsb；
步骤1.1.2，确定火星车控制本体坐标系下电池面法线的方向矢量rs1，根据火星车控制本体坐标系下电池面法线的方向矢量rs1及火星到太阳的单位方位矢量rsb，得到太阳翼的太阳入射角αzya。
7.根据权利要求5所述的高性能火星车，其特征在于，步骤1.1.2中，太阳翼的太阳入射角αzya，通过以下方式确定：
太阳翼展开θzya时，其电池面法线的方向矢量在火星车控制本体坐标系下的表示为：
rs1＝Rx(-θzya)·rs0
式中，rs0为火星车控制本体坐标系下太阳翼在零位时的电池面法线矢量；
则太阳翼电池面法线和太阳光的夹角，即太阳翼的太阳入射角αzya为：
αzya＝arccos(rs1 T·rsb)。
8.根据权利要求2所述的高性能火星车，其特征在于，所述自主休眠唤醒系统还包括唤醒电路，用于将火星车从断电休眠模式转换至加电唤醒模式，唤醒电路包括唤醒继电器线包模块、温度继电器、唤醒继电器和唤醒电阻以及电路板，唤醒电阻与温度继电器串联，同时与唤醒继电器、唤醒继电器线包模块并联；当舱内温度达到温度阈值后，温度继电器闭合，太阳翼发电通过电路板流入唤醒电阻中，产生的压差作用在唤醒继电器线包模块两端，当达到一定阈值后，唤醒线包模块驱动唤醒继电器闭合，电流通过负载，整器加电唤醒。
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