在 2012 年公布的《中国工程科技中长期发展战略研究报告》中提出 23 个重大工程，其中包括载人探月与深空探测，而火星探测则是我国深空探测的下一个目标。 如图 1-1 所示，火星是太阳系由内向外数的第四颗类地行星，直径约为地球直径的一半，表面重力是 3.693 m/s2（0.377g）。火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水。主要由二氧化碳组成的火星大气（含量约95%）既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中。火星表面风的风速最低为 1.1 m/s，平均风速是 4.3 m/s，风暴情况下最大风速可达 150 m/s，且火星每年都有沙尘暴发生。由于火星距离太阳较远，且轨道为椭圆形，因此，火星表面的温度差非常大，在北纬 0-30°范围内温度为-130℃~27℃。
1.1 模拟火星壤研究概况
根据不同的工程目标，模拟火星壤要实现的研究目的也不同。例如，了解与火星壤化学相似的模拟火星壤的变化，可以使我们假设在火星上也可能有近似的变化；了解模拟火星壤中的生物分子的浓度和来源，有利于我们寻找火星上是否曾经存在生命或有生命的存在。因此，模拟火星壤可以分成以下几类：化学组成相似类模拟火星壤、力学特性相似类模拟火星壤、物理特性相似类模拟火星壤、磁性相似类模拟火星壤和有机组织相似类模拟火星壤[3]。 目前，科研人员已对模拟月壤的研制、模拟月壤与月球车车轮的轮壤关系进行了大量的研究[4-7]，但火星巡视探测器在火星表面通过性的研究却还没有完全展开。由于轮式火星巡视探测器结构简单、在松软行星表面通过性良好，且有助于提高宇航员的活动范围和工作效率，这些优点都使其在火星探测中倍受青睐。从只有微波炉大小的索杰纳号火星巡视器在 1997 年登陆火星表面，到 2004 年勇气号和机遇号“双胞胎”火星巡视器先后抵达火星，再到 2012 年登陆火星的好奇号，美国的三代火星巡视器：索杰纳号、机遇号和勇气号以及好奇号均采用轮式行走系统来探索这颗红色的类地行星，图 1-2 为美国成功登陆火星的三代火星巡视器对比图。
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1.2 深空探测行星壤力学参数反演研究现状
2013 年 12 月 15 日 4 时 35 分，万众瞩目的“嫦娥三号”着陆器与巡视器成功分离。玉兔号月球探测车在月球雨海盆地的 C1 陨石坑周边进行了 114 米的地质实测，取得了丰富而珍贵的月球地质资料[8]。图 1-3 为我国玉兔号月球车在月球表面进行科学探测，从图 1-3 中可以清晰的观察到玉兔号的车轮在月壤表面留下的清晰的车辙。可见，月壤表面覆盖着一层较为松散的月壤，月兔号在月面共行走了 0.12 km。因此，对巡视器周边星壤的力学特性或者星壤的力学状态进行就位估计，有助于提高巡视器的通过安全性。随着我国深空探测的逐步推进，继人造卫星、载人航天和探月工程之后，开展以火星勘探为主的深空探测计划是中国科学技术发展和航天远景规划的必然选择。目前，国家对火星巡视器研制正处于论证阶段。但是，提前开展对火星表面可通过性能的研究，也尤为紧迫和必要。 目前，美国是火星探测最成功的国家，其中七个登陆器和巡视器已经登陆火星表面并进行科学探测研究，其登陆时间和地点以及运行状态见表 1.1。
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第2章 火星壤及模拟火星壤分析
2.1 火星壤
火星是太阳系由内向外数的第四颗类地的红色行星，行星半径为 3398 km，约为地球半径的一半，轨道为椭圆形，表面重力是 3.693 m/s2（0.377g），火星日（Martian solar day，或称为 sol）比地球日要长 39 分钟 35.2 秒。火星上是否存在生命，是否有足够的水，是否可以改造成为我们人类的第二个家园？这都激发了人们探索火星的好奇心，也成为人类持续开展火星探测的推动力。由于没有实现火星载人探测，因此目前的火星探测主要是利用环绕器与火星巡视探测器进行独立或联合探测，而探测对象主要是火星的表面形貌、风化层特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等。 目前，已经成功登陆火星表面的主要有七个登陆器和巡视探测器，在火星表面登陆位置见图 2-1，其中 A-G 分别代表海盗 1 号、海盗 2 号、探路者号、勇气号、机遇号、凤凰号和好奇号巡视器。这些探测器发回大量的火星表层形貌图片，对我们了解火星的地貌，研究火星历史和选择着陆器着陆地点提供帮助。另外，通过探测器或者巡视器携带的在轨科研设备，对火星壤以及火星岩的成分和化学组成进行了大量的科学研究和分析，以期证实火星地表曾经存在过水分。
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2.2 火星壤与月壤的比较
影响月壤的物理力学性质主要参数包括月壤颗粒大小、粒径分布以及颗粒形态，通常随着月壤深度的增加月壤的粒径增大，目前对月壤粒径的分析主要以中值粒径和平均粒径为主。月壤颗粒细小，其中绝大部分颗粒直径在 30 μm -1 mm之间，中值粒径在 40 -130 μm 之间，平均为 70 μm。即近半数月壤颗粒不能通过肉眼分辨，且约 10%-20%的颗粒直径小于 20 μm，因此月壤在低重力环境下极易漂浮并附着在工程设备、宇航服、探测器镜头和太阳能电池板上[72]。对目前人类所采集到的月壤颗粒进行统计得到的真实月壤粒径分布可知，月壤颗粒直径以小于 1 mm 为主，中值粒径上限小于 130 μm。真实月壤粒径分布曲线如图 2-30 所示。在火星上着陆的海盗号（VL-1 和 VL-2）着陆地点，火星壤被分成细小的无内聚力火壤，包括小尺寸的土块硬壳和岩石碎片。在探路者号的着陆点，火星壤被分成亮红色细颗粒材料、类土壤沉积物和岩石。古谢夫撞击坑处的火星壤则分为玄武岩沙粒和岩石碎片。梅里迪亚尼平原的表层则分为砂粒大小的玄武岩颗粒（<125 μm）、富含硫酸盐的碎片和富含赤铁矿的小球及碎片。上述的这些地区均含有漂浮在大气中的极细颗粒，这些颗粒的内摩擦角（15-21°）和容重（1.0-1.3 g/cm3）都比较小，其颗粒粒径仅为 1-10 μm。
..........第 3 章 工程用 JLU MARS 模拟火星壤研制 .......... 55
3.1 原料选择 .......... 55
3.2 粒径分布及颗粒形态 ........ 60
3.3 JLU MARS 系列模拟火星壤物理特性 ..... 69
3.4 JLU MARS 系列模拟火星壤剪切力学特性 ......... 71
3.5 小结 ...... 77
第 4 章 行星壤剪切力学参数反演 ......... 79
4.1 轮壤相互作用模型 .......... 80
4.2 轮壤力学模型简化 .......... 83
4.3 多目标输出 LS-SVM 方法简介 .......... 85
4.4 数据采集设备 ...... 87
4.5 基于 JLU-2 模拟月壤的 LS-SVM 模型 .... 88
4.6 基于 JLU MARS 2 模拟火星壤的 LS-SVM 模型 ...... 97
4.7 小结 ..... 101
第 5 章 行星壤承载力学参数反演 ........ 103
5.1 行星壤的承压力学模型 ..... 103
5.2 轮壤解析模型简化 ......... 106
5.3 土壤承压特性参数反演方法 .......... 108
5.4 面向 JLU-2 模拟月壤的 GA 反演模型 ........... 111
5.5 面向 JLU MARS 2 模拟火星壤的 GA 反演模型 ..... 114
第6章 行星壤力学状态估计
第 4 章 主要研究了应用简化的半经验轮壤力学模型，建立星壤剪切力学参数的估计模型，是一种参数化的方法。但是，在深空探测过程中，不能仅依靠单一方法为巡视探测器的通过安全性进行评估。因此，开展多种评估方式方法的研究，对实现巡视探测器通过性的评估和巡视探测器周边星壤力学状态的估计具有重要的意义。 本章主要探讨如何根据巡视探测器的图像信息和遥测信息，估计巡视探测器车轮附近星壤的力学状态。以探月工程项目中特定型号巡视探测器为依据，应用筛网轮和模拟月壤土槽的大量试验数据为基础，针对巡视探测器行驶环境，提出了一种星壤力学状态评估方法。采用二元和三元标识量，并结合偏最小二乘判别法（Partial Least Squares Discriminant Analysis，PLS_DA），根据有限的信息量对在轨巡视探测器周边星壤的力学状态进行评估。可为巡视探测器的通过性能评估、路径规划和地面模拟提供关键参数和依据。
6.1 评估方法和判别参数
星壤力学特性、巡视探测器行进速度、轮上载荷、车轮扭矩、挂钩牵引力、月面形貌、巡视探测器位姿等因素都会影响车轮沉陷深度。由于松散星壤力学特性的离散特征，这些因素组合的高度重合性给车轮沉陷的评估带来了很大的难度。因此，有必要根据现有试验数据，在充分分析可以获取的在轨巡视探测器相关信息基础上，选取能够反映星壤力学特性的主要影响因素，寻求评估星壤力学特性的技术手段。 JLU-2 模拟月壤的均值粒径仅为 70 μm，因此在松散的细颗粒条件下，车轮更易发生滑转沉陷。因此出于偏严格的考虑，并结合近年来研究的实
