一种着陆上升航天器一体化控制系统的制作方法

本发明涉及一种着陆上升航天器一体化控制系统，属于航天器控制技术领域。

背景技术：

随着无人深空探测航天任务的不断发展，需要在一次任务中同时完成地外天体的着陆、上升控制。如，我国的嫦娥五号任务的“着陆上升组合体”航天器就需要完成月面着陆及上升入轨任务。

无论上升还是着陆任务都是需要消耗大量燃料，着陆过程需要将航天器绕月速度从约1.7km/s减小至0，而上升任务要将航天器的绕月速度从0提升到约1.7km/s。相较于常规航天器，着陆上升任务航天器必须降低系统干重，才能满足航天器发射重量约束。同时，由于着陆或上升过程具有不可逆性，必须确保系统的可靠性，保证系统出现故障时，相关功能的冗余部件可以实时切换。综上，着陆上升任务的航天器控制系统架构设计的两个严格要求是：高可靠和重量轻。因此，如何有效的满足这两个要求，是控制系统设计首要解决的问题。

对于月球着陆上升控制任务，最典型的代表是美国的阿波罗登月舱。受制于当时的技术发展，阿波罗登月舱的控制系统的着陆控制和上升的控制任务分布在两个计算系统中，即pngs和ags，需要两套系统都可靠才能够满足全程控制任务的需求；没有星敏感器，采用宇航员通过光学准直系统手动获取惯性姿态；pngs使用平台惯导系统，ags使用捷联惯导系统，两套惯导系统都属于机械式惯导体制。两套计算机系统及终端产品均安装在上升器内。着陆距离测量和速度测量均采用微波体制，即着陆雷达，无备份产品，着陆雷达安装在着陆器上。显然，这种设计是局限于当时电子产品性能低、重量大的技术水平，整个系统可靠度差。

嫦娥五号着陆上升组合体是阿波罗任务之后，首次连贯完成着陆上升任务的航天器。当前技术的发展，已经远远超出了阿波罗时代。因此，如何在现有技术水平下，高可靠并兼顾重量优化的要求，设计出满足任务需求的控制系统是探测器系统首要解决的问题。

因此，在嫦娥五号着陆上升组合体控制系统的设计中，首先进行了一体化设计，即着陆和上升共用惯性测量产品和高可靠的主控制器，包括星敏器、惯性测量组件和顶层控制器。这些共用产品在着陆和上升控制中都可以工作，这样就可以不用为着陆和上升任务分别配置相关产品，达到节约重量的目的。其次，设计中充分利用了上升时可抛弃部分产品的机会，将从控制器和着陆用产品安装在着陆器上，在上升时抛弃，从而减少上升器的重量。为了保证信息链路的可靠，主控制器与各产品间直接通讯，保证单个通讯链路失效时，冗余产品也可以正常与主控制器通讯，而从控制器只执行配电与遥测遥控等低频次任务。然后，对于无人着陆的安全地形选择功能，由于只有着陆时需要，也将其分配给从控制器，从而减少上升器重量。最后，对于终端产品均采用了异构备份，提升系统的可靠性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对目前已有的着陆上升任务控制系统技术可靠性差、产品技术水平陈旧等问题，并结合无人着陆需要自主识别安全区等新需求，提出了一种着陆上升航天器一体化控制系统。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种着陆上升航天器一体化控制系统，包括主控制器、从控制器、地形测量敏感器、距离测量敏感器、速度测量敏感器、星敏感器，其中：

主控制器：设置于航天器的上升器部分，对航天器飞行全过程进行导航制导及控制，对上升器内设置的终端产品进行供配电及遥控遥测控制，实现与上升器与着陆器内终端产品的直接通讯，向从控制器发送对着陆器的控制指令并接受从控制器返送的着陆安全点信息；

从控制器：设置于航天器的着陆器部分，接收主控制器发送的对着陆器的控制指令，根据控制指令对着陆器上的终端产品进行供配电及遥控遥测控制，与地形测量敏感器通讯并对着陆图像敏感器获取的着陆图像进行处理以获取着陆安全点，并将着陆安全点信息反馈给主控器；

地形测量敏感器：设置于着陆器部分，于着陆过程中自动获取着陆地形，并根据从控制器的指令将所获得的着陆图像发送至从控制器进行处理；

距离测量敏感器：设置于着陆器部分，实时测量着陆器着陆过程中航天器到待着陆星体表面的距离；

速度测量敏感器：设置于着陆器部分，实时测量着陆器着陆过程中航天器相对着陆星体表面的速度；

星敏感器：设置于上升器部分，对航天器运动全过程的惯性姿态参数进行测量；

惯性测量组件：设置于上升器部分，对航天器运动全过程的惯性姿态角速度参数进行测量。

所述主控制器采用三机冗余热备份模式以确保飞行全程控制器的可靠性及无间断切换。

所述从控制器采用双机冗余热备份模式以确保着陆后半程短时可靠性及无间断切换。

所述星敏感器数量根据任务需求采用冗余配置，包括配置防尘罩的星敏感器及未配置防尘罩的敏感器，配置防尘罩的星敏感器具备防止着陆起飞过程月尘污染镜头的能力，未配置防尘罩的星敏感器用于防止故障导致防尘罩不能打开而丧失测量功能，所述星敏感器配置在上升器上，单一产品失效不影响系统的惯性姿态获取能力。

所述距离测量敏感器、速度测量敏感器均配置有激光、微波体制测量敏感器。

所述地形测量敏感器配置有激光、光学体制测量敏感器。

所述惯性测量组件配置有激光、光纤体制惯性测量组件。

所述主控制器与着陆器产品的通讯根据信息通讯发生的频度和重要性分为直接通讯和间接通讯，与地形测量敏感器通过从控制器间接通讯，与其它敏感器直接通讯，可以避免从控制器失效导致着陆信息获取能力丧失。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种着陆上升航天器一体化控制系统，通过设置主控制器及从控制器的控制架构，可以利用天体表面起飞时机将着陆敏感器和从控制器留在月面，不影响上升功能的实现。这样可以减少上升时的系统重量，达到减少燃料消耗的作用，同时通过从控制器实现着陆安全点计算、由于着陆安全点的运算量大，需要较多的计算资源，设置从控制器可以降低主控制器的计算能力需求，有益于降低主控制器的重量并确保主控制器计算的实时性；

(2)本发明采用的敏感器均采用异构备份，相较于常规的增加产品数量的冗余方法，显著的规避了共因实效，更好的确保了系统的可靠性，主控制器采用高可靠三机冗余热备份模式，确保飞行过程全程的可靠性和实时不间断，而从控制器的安全点识别功能仅用于着陆后半程短期工作，因此采用较高可靠度的双机冗余模式，即可有效确保系统可靠性。根据实际工作过程，差异化的设置主从控制器的冗余形式，兼顾可靠性需求和重量约束；

(3)本发明在优先确保动力过程可靠性的前提下，进行必要的信息路径整合，减少系统重量。着陆敏感器信息、控制指令等动力过程关键信息的信息路径，即便产品位于着陆器，也不通过从控制器进行梳理，而是采用冗余路径直连主控制器，避免信息路径的传输节点增加降低可靠性。供配电及遥控遥测等动力过程关键度低的信息路径通过从控制器梳理整合统一管理，减少链路数量优化系统重量。

附图说明

图1为发明提供的航天器一体化控制系统结构示意图；

具体实施方式

一种着陆上升航天器一体化控制系统，适用于执行地外天体无人着陆上升任务，具体包括主控制器、从控制器、着陆图像敏感器、距离测量敏感器、速度测量敏感器、星敏感器，着陆上升航天器控制系统采用分层结构，顶层设置主控制器，底层设置有从控制器，主控制器设置于上升器部分，从控制器设置于着陆器部分，其中：

航天器包括上升器及着陆器部分，主控制器、星敏感器和惯性测量组件安装在上升器上，从控制器和其它敏感器安装在着陆器上，具体为：

主控制器对航天器飞行全过程进行导航制导及控制，对上升器内设置的终端产品进行供配电及遥控遥测控制，实现上升器与着陆器内终端产品的通讯，向从控制器发送对着陆器的控制指令并接受从控制器返送的信息；主控制器采用三机冗余热备份模式以确保飞行全程控制器的可靠性及无间断切换；

从控制器接收主控制器发送的对着陆器的控制指令，根据控制指令对着陆器上的终端产品进行供配电及遥控遥测控制，与地形测量敏感器通讯并对地形测量敏感器获取的着陆地形信息进行处理以获取着陆安全点；从控制器采用双机冗余热备份模式，以确保着陆后半程短时可靠性及无间断切换；

地形测量敏感器于着陆过程中获取着陆地形信息，并根据从控制器的指令将所得着陆地形信息发送至从控制器进行处理，地形测量敏感器配置有光学体制地形敏感器和激光体制地形敏感器；

距离测量敏感器实时测量着陆器着陆过程中航天器到待着陆星体表面的距离；距离测量敏感器配置有激光、微波体制测量敏感器；

速度测量敏感器于着陆器着陆过程中实时测量航天器着陆速度；速度测量敏感器配置有激光、微波体制测量敏感器；

星敏感器对航天器运动全过程的惯性姿态参数进行测量；星敏感器数量根据任务需求确定，包括配置防尘罩的星敏感器及未配置防尘罩的敏感器，配置防尘罩的星敏感器用于测量过程中防止月尘污染，未配置防尘罩的敏感器可以避免防尘罩机械故障导致星敏失效的故障模式。未配置防尘罩的敏感器与配置防尘罩的星敏感器设置于上升器不同位置；

惯性测量组件测量航天器在惯性空间中的角速度，配置有激光和光纤体制的惯性测量组件

在通讯链路设计上，对着陆器的遥控遥测指令、供配电指令由从控制器统一管理，而终端产品的通讯信息采用冗余路径直连主控制器。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，如图1所示，着陆上升航天器控制系统采用分层结构，主控制器和着陆上升任务共用的产品安装在上升器上，主要包括有星敏、惯性测量组件；从控制器和着陆专用产品安装在着陆器上，主要包括有从控制器和各种着陆用敏感器，主控制器负责上升器产品的供配电与遥控遥测，负责直接与着陆器产品和上升器产品的直接通讯，但不包含地形测量敏感器，同时负责飞行全过程的导航制导与控制的指令计算与输出；

从控制器负责应答主控制器的控制指令，并按照主控制器指令完成着陆器产品的供配电与遥控遥测控制；负责着陆图像处理计算出着陆安全点，并将着陆安全点信息反馈给主控制器；

主控制器采用高可靠的三机冗余热备份模式，确保飞行全程控制器的可靠性及无间断切换；从控制器采用较高可靠度的双机冗余热备份模式，保证着陆后半程短时可靠性需求及无间断切换；

控制系统中的着陆敏感器配置有：距离测量敏感器、速度测量的敏感器、地形测量敏感器，种敏感器都采用不同测量体制产品进行冗余备份，距离测量敏感器采用激光和微波两种体制的测量敏感器，速度测量敏感器采用激光和微波两种体制的测量敏感器，地形测量采用激光与光学体制的两种敏感器；

控制系统配置多个有惯性测量组件，每个组件均可完成惯性角速度和加速度的测量，且采用不同测量体制产品进行冗余备份。配置有激光体制惯性组件和光纤体制惯性组件；

星敏感器配置多个，采取局部异构设计。有的星敏感器配置有防尘罩，可以防止月尘污染。有的星敏感器没有配置防尘罩，可以规避机构故障导致产品失效。

上升器上配置有三机冗余的热备份主控制器，控制器内包含有三个以tsc695为核心处理器的计算机系统，通过相互比对及三取二确认控制指令正确性，着陆器上配置有从控制器上，控制器内包含有两个以smj320c6701为核心处理器的控制器，通过主控制器指定选取当班机，应答主控制器的控制指令，并按照主控制器指令完成着陆器产品的供配电与遥控遥测控制，与地形测量敏感器通讯并对着陆地形信息进行处理以获得着陆安全点；

着陆器上配置的着陆敏感器主要有以激光ld二极管为核心器件的激光距离测量敏感器、ka波段微波脉冲距离测量敏感器、以光纤激光器为核心部件的激光速度测量敏感器、ka波段微波连续波速度测量敏感器、光学体制的成像式地形测量敏感器、激光体制扫描式地形测量敏感器。上升器上配置激光惯性测量组件、光纤惯性测量组件，配置含防尘装置的星敏感器2台和不含防尘装置星敏感器1台。

主控制器通过1553b总线及遥控指令线的方式，从上升器其它系统接收探测器总体发送给控制系统的指令信息(包括电源指令、遥控遥测指令)，主控制器将其中与着陆器的相关指令信息及主控制器自主生成的给从控制器的指令信息，通过串口发送给从控制器。主控制器通过串口接收从控制器反馈的着陆安全点等信息。主控制器与各终端产品通过串口进行一对一通讯，直接获取产品的测量与遥测信息。主控制器通过遥控指令线方式向上升器各终端产品发送电源指令，通过模拟量遥测采集的方式获取上升器各终端产品的遥测信息。所有的串口及指令线均采用双点双线的方式进行传输链路的冗余。

从控制器通过1553b总线及遥控指令线的方式，从着陆器其它系统接收探测器总体发送的指令信息(包括电源指令、遥控遥测指令)，通过串口接收主控制器发送的指令信息，通过lvds总线接收地形敏感器发送的地形信息，通过串口向地形敏感器发送遥控遥测信息，通过遥控指令线方式向着陆器各终端产品发送电源指令，通过模拟量遥测采集的方式获取着陆器各终端产品的遥测信息。所有的串口与指令线均采用双点双线的方式进行传输链路的冗余。

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。