月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法
2023-09-20 23:59:25 2
專利名稱：月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法
技術領域：
本發明涉及月球探測器在懸停階段根據月面地貌信息選取安全軟著陸區域技術領域。
背景技術：
前蘇聯的Lunar系列月球探測器和美國的Surveyor系列月球探測器在月球上著陸之前，沒有對著陸區域的安全性進行判別，直接軟著陸至月面；美國的Apollo系列探測器在著陸之前，由太空人來選取著陸區域以保證著陸安全。對於無人月球軟著陸探測器，為了保證著陸安全，控制系統必須具備獲取月面信息並選取安全著陸區域的能力。日本SELENE-B探測器安裝了掃描式雷射檢景器和圖像敏感器，其目的是在著陸前對月面成像，檢測障礙保證著陸安全。但是，並沒有見到著陸區域選取方法的相關報導。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足之處，提供了一種在月球探測器的懸停階段，能夠根據月面成像敏感器所提供的三維月面信息，得到距離探測器最近的安全著陸區域的掃描選取方法。
本發明的方法的技術解決方案是月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於包括以下步驟(1)用月面成像敏感器獲得對應區域的月面三維信息；(2)將月球探測器在著陸情況下所佔區域的大小定義為單位面積，單位面積的中心定義為著陸中心；(3)以與當前月球探測器接近的月面上的點作為著陸中心起始判別點，從裡向外以順時針或逆時針螺旋形式或環形方式按固定距離逐步移動著陸中心，逐個判別每個著陸中心所在單位面積的著陸區域是否滿足著陸條件；
(4)若著陸中心所在單位面積的著陸區域不滿足著陸條件，則繼續移動著陸中心進行判別；若著陸中心所在單位面積的著陸區域滿足著陸條件，則月球探測器移動至所述著陸區域處降落。
所述的步驟(3)中以固定距離逐步移動著陸中心，固定距離等於月面成像敏感器平面解析度的距離。
所述的步驟(3)中以固定距離逐步移動著陸中心，固定距離為0.1～1m。
所述的步驟(3)中著陸條件包括坡度和最大凸起高度兩個條件。
所述的坡度為0～8°。
所述的最大凸起高度為0～20cm。
本發明與現有技術相比的有益效果是(1)在最小的水平位移範圍內找到適於探測器降落的地點，具有一定的減少燃料消耗的作用；(2)所選區域可以保證探測器著陸安全。
圖1為本發明選取的單位面積S；圖2為著陸中心以順時針的螺旋形式進行掃描選取；圖3為著陸中心以逆時針的螺旋形式進行掃描選取；圖4為著陸中心以環形的形式從裡向外進行掃描選取。
具體實施例方式
實施例1月面成像敏感器的平面解析度為0.1m，則通過月面成像敏感器可以得到月面上每間隔0.1m的點的高度信息。如圖1所示，將月球探測器在著陸情況下所佔區域的面積定義為單位面積S，將單位面積S的中心定義為著陸中心，圖中每個網格的寬度為0.1m。如果單位面積S為0.2m×0.2m，則S共有3×3個點的高度數據。
從當前月球探測器正對應的月面上的點為著陸中心起始判別點，以順時針螺旋形式從裡向外逐個點移動著陸中心，如圖2所示，對每個著陸中心所在的單位面積S內的所有高度數據進行運算，判斷相應單位面積的著陸區域是否安全。
安全著陸區域的條件為著陸區域的坡度不大於8°，著陸區域內凸起高度小於20cm。
設S大小區域內的n×n組數據(xij，yi，zj)(i，j＝1，2，…，n)，其中(yi，zj)代表平面位置，xij代表(yi，zj)處的高度。著陸區的坡度可以通過最小二乘法估計求得。設由觀測數據擬合出的平面方程為x＝a0+a1y+a2z其中，a0、a1、a2為待定係數。求係數a0、a1、a2使得H=i=1nj=1n[x(yi,zj)-xij]2=i=1nj=1n[a0+a1yi+a2zj-xij]2]]>達到最小。由最小二乘法求得係數a0a1a2=n2ni=1nyinj=1nzjni=1nyini=1nyi2i=1nj=1nyizjnj=1nzji=1nj=1nyizjnj=1nzj2-1i=1nj=1nxiji=1nj=1nxijyii=1nj=1nxijzj]]>則，要求著陸區坡度 為保證「著陸區域內凸起高度小於20cm」，即要保證|a0+a1yi+a2zj-xij|＜20cm(i，j＝1，2，…，n)若著陸中心所對應的單位面積不滿足著陸條件，著陸中心繼續進行掃描，直至搜索到安全的著陸區域為止。
當前著陸點周圍的數據為(0.05，0.2，-0.1) (0.05，0.2，0) (0.05，0.2，0.1) (0.1，0.2，0.2)
(0.3，0.1，-0.1) (0.3，0.1，0) (0.3，0.1，0.1) (0.1，0.1，0.2)(0，0，-0.1) (0，0，0) (0，0，0.1) (0.2，0，0.2)(0.3，-0.1，-0.1) (0.3，-0.1，0) (0.3，-0.1，0.1) (0，-0.1，0.2)第一步著陸中心位於當前著陸點(0，0，0)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.2；a1＝0；a2＝0；可計算得著陸坡度θ的值為0°，滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；可分別計算出9個點的凸起高度為0.10.10.10.20.20.20.10.10.1不滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
第二步將著陸中心上移一步，位於(0.3，0.1，0)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.09；a1＝0.25；a2＝0；可計算得著陸坡度θ的值為14°，不滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；可分別計算出9個點的凸起高度為0.090.090.090.180.180.180.090.090.09滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
第三步將著陸中心再右移一步，位於(0.3，0.1，0.1)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.11；a1＝0；a2＝0.08；可計算得著陸坡度θ的值為4.76°，滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；可分別計算出9個點的凸起高度為0.110.120.07
0.190.180.030.060.070.03滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
該點(0.3，0.1，0.1)就是距離當前月球探測器最近的著陸中心，月球探測器移動至該點的上方，然後降落即可。
實施例2月面成像敏感器的平面解析度為0.1m，則通過月面成像敏感器可以得到月面上每間隔0.1m的點的高度信息。如圖1所示，將月球探測器在著陸情況下所佔區域的面積定義為單位面積S，將單位面積S的中心定義為著陸中心，圖中每個網格的寬度為0.1m。如果單位面積S為0.2m×0.2m，則S共有3×3個點的高度數據。
從當前月球探測器正對應的月面上的點為著陸中心起始判別點，以逆時針螺旋形式從裡向外逐個點移動著陸中心，如圖3所示，對每個著陸中心所在的單位面積S內的所有高度數據進行運算，判斷相應單位面積的著陸區域是否安全。
安全著陸區域的條件為著陸區域的坡度不大於8°，著陸區域內凸起高度小於20cm。
當前著陸點周圍的數據為(0.05，0.2，0.2) (0.05，0.2，-0.1) (0.05，0.2，0) (0.05，0.2，0.1)(0.2，0.1，0.2) (0.3，0.1，-0.1) (0.3，0.1，0) (0.3，0.1，0.1)(0.15，0，0.2) (0，0，-0.1) (0，0，0) (0，0，0.1)(0，-0.1，0.2) (0.3，-0.1，-0.1) (0.3，-0.1，0) (0.3，-0.1，0.1)第一步著陸中心位於當前著陸點(0，0，0)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.2； a1＝0； a2＝0；可計算得著陸坡度θ的值為0°，滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；可分別計算出9個點的凸起高度為
0.10.10.10.20.20.20.10.10.1不滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
第二步將著陸中心上移一步，位於(0.3，0.1，0)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.09；a1＝0.25；a2＝0；可計算得著陸坡度θ的值為14°，不滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；可分別計算出9個點的凸起高度為0.090.090.090.180.180.180.090.090.09滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
第三步將著陸中心再左移一步，位於(0.3，0.1，-0.1)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.13；a1＝0；a2＝-0.08；可計算得著陸坡度θ的值為4.76°，滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；可分別計算出9個點的凸起高度為0.020.120.110.070.180.190.080.070.06滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
該點(0.3，0.1，-0.1)就是距離當前月球探測器最近的著陸中心，月球探測器移動至該點的上方，然後降落即可。
實施例3月面成像敏感器的平面解析度為0.1m，則通過月面成像敏感器可以得到月面上每間隔0.1m的點的高度信息。如圖1所示，將月球探測器在著陸情況下所佔區域的面積定義為單位面積S，將單位面積S的中心定義為著陸中心，圖中每個網格的寬度為0.1m。如果單位面積S為0.2m×0.2m，則S共有3×3個點的高度數據。
從當前月球探測器正對應的月面上的點為著陸中心起始判別點，是按照環形的方式，從裡向外移動著陸中心，如圖4所示，對每個著陸中心所在的單位面積S內的所有高度數據進行運算，判斷相應單位面積的著陸區域是否安全。
安全著陸區域的條件為著陸區域的坡度不大於8°，著陸區域內凸起高度小於20cm。
當前著陸點周圍的數據為(0.3，0.1，-0.1)(0.3，0.1，0) (0.3，0.1，0.1) (0，0.1，0.2)(0，0，-0.1)(0，0，0) (0，0，0.1) (0.2，0，0.2)(0.3，-0.1，-0.1) (0.3，-0.1，0) (0.3，-0.1，0.1) (0.1，-0.1，0.2)(0.05，-0.2，-0.1) (0.05，-0.2，0) (0.05，-0.2，0.1) (0.1，-0.2，0.2)第一步著陸中心位於當前著陸點(0，0，0)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.2；a1＝0；a2＝0；可計算得著陸坡度θ的值為0°，滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；可分別計算出9個點的凸起高度為0.10.10.10.20.20.20.10.10.1不滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
第二步將著陸中心下移一步，位於(0.3，-0.1，0)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.09；a1＝-0.25；a2＝0；可計算得著陸坡度θ的值為14°，不滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；
可分別計算出9個點的凸起高度為0.090.090.090.180.180.180.090.090.09滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
第三步將著陸中心再右移一步，位於(0.3，-0.1，0.1)。
由單位面積內9組數據得到的係數a0＝0.11；a1＝0；a2＝0.08；可計算得著陸坡度θ的值為4.76°，滿足「著陸區坡度小於8°」的條件；可分別計算出9個點的凸起高度為0.110.120.070.190.180.030.060.070.03滿足「著陸區域內凸起高度小於20cm」的條件。
該點(0.3，-0.1，0.1)就是距離當前月球探測器最近的著陸中心，月球探測器移動至該點的上方，然後降落即可。
權利要求
1.月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於包括以下步驟(1)用月面成像敏感器獲得對應區域的月面三維信息；(2)將月球探測器在著陸情況下所佔區域的大小定義為單位面積，單位面積的中心定義為著陸中心；(3)以與當前月球探測器接近的月面上的點作為著陸中心起始判別點，從裡向外以固定距離移動著陸中心，逐個判別每個著陸中心所在單位面積的著陸區域是否滿足著陸條件；(4)若著陸中心所在單位面積的著陸區域不滿足著陸條件，則繼續移動著陸中心進行判別；若著陸中心所在單位面積的著陸區域滿足著陸條件，則月球探測器移動至所述著陸區域處降落。
2.根據權利要求1所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的步驟(3)中從裡向外移動著陸中心，是以螺旋形式從裡向外移動著陸中心。
3.根據權利要求2所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的以螺旋形式從裡向外移動著陸中心是以順時針的螺旋形式。
4.根據權利要求2所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的以螺旋形式從裡向外移動著陸中心是以逆時針的螺旋形式。
5.根據權利要求1所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的步驟(3)中從裡向外移動著陸中心，是按照環形的方式，從裡向外移動著陸中心。
6.根據權利要求1所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的步驟(3)中以固定距離逐步移動著陸中心，固定距離等於月面成像敏感器平面解析度的距離。
7.根據權利要求1所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的步驟(3)中以固定距離逐步移動著陸中心，固定距離為0.1～1m。
8.根據權利要求1所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的步驟(3)中著陸條件包括坡度和最大凸起高度兩個條件。
9.根據權利要求8所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的坡度為0～8°。
10.根據權利要求8所述的月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，其特徵在於所述的最大凸起高度為0～20cm。
全文摘要
月球探測器懸停階段掃描選取安全著陸區域方法，涉及月球探測器軟著陸技術領域，選取方法為用月面成像敏感器獲得相應區域的月面三維信息；將月球探測器在著陸情況下所佔區域的大小定義為單位面積，單位面積的中心定義為著陸中心；以與當前月球探測器接近的月面上的點作為著陸中心起始判別點，從裡向外以固定距離逐步移動著陸中心，逐個判別每個著陸中心所在單位面積的著陸區域是否滿足著陸條件；若不滿足著陸條件，則繼續移動著陸中心進行判別；若滿足著陸條件，則月球探測器移動至相應位置處降落。本發明能在最小的水平位移範圍內找到適於探測器降落的地點，具有一定的減少燃料消耗的作用。
文檔編號G01C21/24GK101074880SQ20071013018
公開日2007年11月21日 申請日期2007年7月24日 優先權日2007年7月24日
發明者關軼峰, 王大軼, 黃翔宇, 何英姿 申請人:北京控制工程研究所