随着航天技术的不断发展,人类对于更远的宇宙探索越来越有兴趣,各航天强国都在积极开展深空探测任务,火星作为地球的近邻,成为人类探索宇宙的重点任务。火星作为一颗距离地球较近的行星,其表面气候特点以及其他特征与地球有很多共同之处。对火星探测技术的研究一方面可以促进人类的脚步向更深的宇宙空间迈进,另一方面可以帮助人类更清楚地了解地球的演化,从而揭开宇宙起源的奥秘。我国首次火星探测任务已立项实施,对于火星探测任务,面临的主要问题包括器地通信延时大、地面测控精度低、在轨关键过程自主管理性能要求高等。特别是火星探测制动捕获过程,该过程具有“唯一性”的特点,制动时间短则造成探测器飞越火星,制动时间长则造成与火星相撞,因此提高制动捕获的高可靠性是火星探测任务的重点,火星探测高精度制动捕获控制是火星探测关键的核心技术。影响制动捕获精度的因素有很多,本文主要从制动捕获控制策略和姿态轨道联合控制进行设计分析。进而引出火星探测自主导航、制动捕获策略的智能优化及高精度闭环反馈轨道控制三个关键技术约束。针对制动捕获策略优化的前提条件——高精度的轨道确定,提出基于光学导航敏感器测量行星方位及视距的自主导航策略,并依据轨道确定精度需求,提出了敏感器的技术指标。针对制动捕获策略优化的主要手段——智能优化搜索算法,提出了基于“粒子群”的火星制动捕获寻优算法,针对惯性定向控制、匀角速率控制及沿迹反方向控制策略进行分析,综合考虑姿态控制精度、轨道递推精度及能耗最优等因素,选择匀角速率控制方法。针对制动捕获策略的实施保障——大推力器作用下的固液柔航天器控制,考虑轨道控制精度及工程实施的可靠性需求,姿态控制采用常规PID控制器,对喷气输出采用停喷处理,进而抑制由于液体晃动、天线及太阳翼柔性振动引起的姿态失稳,轨道控制区别于近地卫星的地面遥控开环实施手段,采用加速度计测量引入,实时修正轨控策略的方法。综上所述,本论文从工程应用角度提出自主导航+闭环姿轨耦合控制技术,解决制动捕获过程地面测控精度低、延时大及自主性低的问题,实现高精度的自主制动捕获控制。论文首先讨论了深空探测自主导航的应用性能,分析了基于行星光学测量的自主导航原理,详细阐述了自主导航的处理过程;进而基于自主导航确定的轨道设计了制动捕获控制策略的搜索优化算法,确定了最终的制动捕获控制策略;在此基础上,考虑推力器误差、液体晃动、挠性干扰等影响,提出了基于加表测量反馈的闭环姿轨耦合高精度控制技术,提高了制动捕获控制精度及安全性。