[发明专利]一种火星车自主休眠与唤醒控制方法

说明书

本发明公开了一种火星车自主休眠与唤醒控制方法，为器上选用能源相对充分工况下自主休眠策略还是能源匮乏工况下自主休眠策略提供了依据，提升了自主休眠策略的使用灵活性；根据火星车在每个火星日的峰值电量判断是否需要进入休眠态或进行最小工作模式，并可在能源状况好转后从最小工作模式自主恢复为正常工作模式；适用于火星车在火面检测到沙尘后尽快休眠，保证火星车休眠后能保留充足的电量，为后续唤醒后在最小工作模式下充电以恢复能源平衡提供基础；结合火星车在每个火星日的峰值电量和火星车当前实时电量，共同判断是否需要进入休眠；该策略适用于唤醒后使用，旨在唤醒后尽可能使用蓄电池来维持供电不进行休眠，同时又保护蓄电池不被过放。

技术领域

本发明属于航天器在轨自主运行控制技术领域，具体涉及一种火星车自主休眠与唤醒控制方法。

背景技术

中国将在2020年发射火星车进行火星表面巡视探测。火星车火面工作最主要的约束是能源，由于能源紧张，即使在可视弧段内，火星车上的通信设备也不能长期开机，每天通信时长非常有限。按照任务规划，在火昼期间火星车有能源补充时，进行移动、感知、探测等耗能较多的探测任务；在火夜期间火星车没有能源补充时，进行通信、数传等耗能较少的探测任务。

火星车依赖太阳翼发电补充能源，能源生成情况与火星时间、天气密切相关。火星表面地形崎岖，大气稀薄，存在沙尘天气。晴朗天气下能源充足，沙尘天气下能源匮乏。由于与太阳的距离更远，光照相对较弱，火面平均太阳光强平均约为地球的0.43倍，目前国际上通常采用的地球轨道光强为1353W/m²，而火星轨道的平均光强为589W/m²，火面的平均光强比火星轨道的更弱。又由于重量限制，火星车太阳翼尺寸有限、蓄电池容量有限，太阳翼尺寸有限导致发电功率有限，蓄电池容量有限导致电量存量有限。由于火星尘埃在太阳翼上的沉积和蓄电池自身损耗，太阳翼的发电功率和蓄电池能容纳的电量在整个火星车任务周期内呈下降趋势。除尘埃和沙尘天气外，火星表面的低温环境使得火星车上的多个加热回路需要长时间工作，造成对火星车控温功率需求的增加，也是造成能源紧张的重要原因之一。

综上所述，火星车在能源上面临火面环境恶劣、电池容量有限、发电效率低、耗电功率高等多重因素的影响，能源极其紧张。火星车完成科学探测任务的前提是保证自身生存，为确保自身生存，需要维持火星车自身的能源平衡。国外深空探测器主要采用放射性同位素温差电池提供能源，如阿波罗登月计划、旅行者号探测器、伽利略号探测器等。放射性同位素温差电池结构紧凑、可靠性高、寿命长、受环境影响小，美国在未来多个深空探测计划中将继续研制、使用高性能的同位素温差电池。由于技术基础、探测器总质量、项目预算等多方面的限制，目前我国探测器还未采用同位素温差电池，而是采用“休眠-唤醒”的方式规划深空探测器的能源消耗，解决探测器的能源平衡问题。在我国已经发射的嫦娥三号、嫦娥四号探测器上，采用“延时程控+自主唤醒”的控制方式，控制探测器在月夜时进入休眠，在月昼来临后自主唤醒，使探测器具备了在月夜极端工况下保证生存的能力。

在以火星车为代表的深空探测器采用上述方法应对火面极端工况时，主要存在以下问题：

(1)火面工作环境与月面不同。月球表面大气稀薄，探测器能源平衡的主要威胁是可预测的月夜。火面存在大气，探测器能源平衡受火面天气影响较大，而火面天气变化是难以预测的。因此，采取嫦娥三号、嫦娥四号的规划式休眠唤醒难以应对火面工作环境。在天气较好的情况下，规划式休眠唤醒会浪费宝贵的通信弧段。在天气较差的情况下，规划式休眠唤醒难于及时根据探测器能源水平对探测器工作模式进行适应性调整，可能造成探测器电池的放电深度下降到较低水平，对后续任务造成不利影响，甚至威胁探测器生存。

(2)规划式休眠唤醒需要地面向探测器预先注入关闭载荷设备、调整测控模式、调整热控模式、调整太阳翼姿态等一系列设置指令，对测控实时性、测控链路稳定性的要求较高。与月球探测任务相比，火星探测任务的通信弧段、时长都十分有限，且存在在一段时间内无法建立通信的可能。若采用规划式休眠唤醒设计，在火星车需要进入休眠状态时，存在因为测控条件不佳导致火星车无法及时进入休眠态的可能。