一種室內(nèi)軟著陸月面地形模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行月面地形地貌模擬的方法，利用該方法可研制月面模擬沙盤(pán)屏以用于軟著陸成像和避障控制技術(shù)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證。
【背景技術(shù)】
[0002]進(jìn)入二十一世紀(jì)后，月球作為開(kāi)展深空探測(cè)的前哨站再次成為世界各航天大國(guó)爭(zhēng)相研宄的熱點(diǎn)，而月球軟著陸技術(shù)是對(duì)月球進(jìn)行深入研宄的必備技術(shù)。中國(guó)是除美國(guó)和俄羅斯外第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的國(guó)家。由于月球表面地形較為復(fù)雜且人類(lèi)對(duì)其知之較少，軟著陸的安全性尤其受到關(guān)注。因此，無(wú)論是美國(guó)、俄羅斯還是中國(guó)，都在地面上進(jìn)行了充分的半實(shí)物或者全實(shí)物仿真加以驗(yàn)證。美國(guó)Apollo載人登月是通過(guò)宇航員目測(cè)來(lái)規(guī)避障礙，實(shí)現(xiàn)安全軟著陸的。Bellman和Matranga為Apollo計(jì)劃設(shè)計(jì)了一種稱為L(zhǎng)LRV(LunarLanding Research Vehicle)的全實(shí)物仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，便于宇航員操作試驗(yàn)器進(jìn)行室外著陸試驗(yàn)。該試驗(yàn)下月面地形的模擬只關(guān)注了月面的地貌特征。日本的月球軟著陸計(jì)劃一一“月神”(SELenological and Engineering Explorer，SELENE)同樣米用了一個(gè)全實(shí)物的飛行驗(yàn)證平臺(tái)(Fly Test Bed, FTB)來(lái)對(duì)GNC算法和敏感器設(shè)備的功能性能進(jìn)行驗(yàn)證。但由于該試驗(yàn)并沒(méi)有驗(yàn)證成像敏感器的功能性能及平移避障控制策略，因此也沒(méi)有研制相應(yīng)的月面模擬沙盤(pán)。
[0003]國(guó)內(nèi)方面，專利號(hào)為ZL200710121319.X，名稱為“月球軟著陸制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)”的中國(guó)專利提及了一套月面模擬沙盤(pán)屏，但該沙盤(pán)屏對(duì)月面地形的模擬采用了 1:10的縮比方式，且采用較單一的標(biāo)稱幾何體(半球體、圓柱體等)進(jìn)行地形模擬，難以真實(shí)反映月面地形的起伏情況，并且對(duì)不同譜段光學(xué)敏感器的反射特性也沒(méi)有精確量化，只能進(jìn)行定性驗(yàn)證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)月面地形進(jìn)行模擬的方法，不僅能根據(jù)需求精確模擬月面地形地貌的起伏情況，還能精確模擬月面對(duì)不同譜段光學(xué)敏感器的反射特性，可用于月球軟著陸的地面試驗(yàn)驗(yàn)證。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種室內(nèi)軟著陸月面地形模擬方法，包括如下步驟:
[0006](I)根據(jù)待著陸的月面地形障礙分布規(guī)律確定需要模擬的月面的面積大小和地形地貌，由此得到待模擬的月面地形草圖，并根據(jù)月面地形草圖得到相應(yīng)的等高線圖；所述的地形地貌包括石塊和月坑的大小、數(shù)量，斜坡的坡度，以及石塊、月坑和斜坡的分布情況；
[0007](2)選取苯板作為月面地形基礎(chǔ)輪廓制作的基礎(chǔ)材料，根據(jù)需要模擬的月面的面積大小，確定苯板的面積，根據(jù)月坑深度和斜坡高度，確定苯板的厚度；
[0008](3)根據(jù)所述等高線圖，利用數(shù)控機(jī)床對(duì)苯板進(jìn)行加工切割，使得加工得到的斜坡和月坑均與月面地形草圖相吻合，由此得到沙盤(pán)基礎(chǔ)輪廓；同時(shí)，單獨(dú)用苯板切割出相應(yīng)大小的石塊輪廓，并打磨出石塊的不規(guī)則外形，然后根據(jù)月面地形草圖將苯板制作的石塊粘貼在沙盤(pán)基礎(chǔ)輪廓上；
[0009](4)在步驟(3)得到的沙盤(pán)基礎(chǔ)輪廓上整體均勻噴涂石英砂，制作出沙盤(pán)屏的沙粒質(zhì)感；
[0010](5)確定需要模擬的月面不同位置對(duì)敏感器的反射特性，并尋找到不同顏色的真石漆分別對(duì)應(yīng)不同月面反射特性，將相應(yīng)顏色的真石漆噴涂在相應(yīng)的石英砂表面，由此得到最終的月面地形模擬沙盤(pán)。
[0011]所述步驟(5)中尋找到不同顏色的真石漆分別對(duì)應(yīng)不同月面反射特性的方法為:
[0012](21)對(duì)若干沙盤(pán)小樣噴涂不同顏色的真石漆，以此改變沙盤(pán)表面的反射率大??；真石漆的顏色以接近月表的灰色為主，至少制作淺灰、中灰和深灰三種不同顏色的小樣；
[0013](22)將不同譜段的光源和沙盤(pán)小樣都放置在轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上，利用光源對(duì)沙盤(pán)進(jìn)行垂直照射，同時(shí)根據(jù)不同光學(xué)敏感器的工作譜段，采用相應(yīng)的濾波片，利用光功率計(jì)進(jìn)行反射光功率測(cè)量，記錄得到的反射光功率值；
[0014](23)采用相同譜段的反射率數(shù)值已知的標(biāo)準(zhǔn)月面反射靶板重復(fù)步驟(22)，并將兩次獲取的反射光功率數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比值關(guān)系計(jì)算當(dāng)前沙盤(pán)小樣對(duì)于該譜段敏感器的反射率數(shù)值；
[0015](24)判斷反射率數(shù)值是否滿足參考值的要求，若不滿足，則調(diào)整真石漆的顏色深淺直至反射率數(shù)值滿足要求；調(diào)整原則為反射率數(shù)值小于參考值時(shí)將顏色調(diào)淺，反之調(diào)株;
[0016](25)重復(fù)步驟(21)?(24)，直至找到不同月面區(qū)域的、且同時(shí)滿足不同譜段敏感器反射特性的真石漆顏色為止。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:傳統(tǒng)沙盤(pán)制作主要關(guān)注外形的可觀性，借此直觀的表明所描述的目標(biāo)事物，屬于定性設(shè)計(jì)，如建筑沙盤(pán)、軍事沙盤(pán)等。本發(fā)明方法提出的模擬月面地形的沙盤(pán)需要精確的定量設(shè)計(jì)，以為著陸導(dǎo)航敏感器的性能測(cè)試標(biāo)定提供測(cè)量目標(biāo)。因此與傳統(tǒng)沙盤(pán)相比，其研制的重點(diǎn)在于如何真實(shí)而定量化地模擬月面地形起伏的效果，并模擬出月面對(duì)不同譜段敏感器的反射特性。具體說(shuō)來(lái)，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
[0018](I)本發(fā)明方法可精確模擬月面地形對(duì)不同譜段光學(xué)敏感器的反射特性，使著陸導(dǎo)航敏感器的工作性能得到較為真實(shí)的地面測(cè)試標(biāo)定；
[0019](2)本發(fā)明方法可提高月面地形模擬的逼真度和精度，滿足著陸導(dǎo)航敏感器的測(cè)量和成像精度要求；
[0020](3)本發(fā)明針對(duì)大尺寸月面地形采用模塊化設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸、安裝和月面場(chǎng)景更換，地形模擬的通用性和擴(kuò)展性好；
[0021](4)利用本發(fā)明方法研制的月面模擬沙盤(pán)屏已成功應(yīng)用于我國(guó)嫦娥三號(hào)軟著陸GNC半物理仿真試驗(yàn)中，并為我國(guó)首次成功落月發(fā)揮了作用。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0023]圖2為本發(fā)明月面石塊數(shù)量累積分布圖；
[0024]圖3為本發(fā)明月坑數(shù)量累積分布圖；
[0025]圖4為本發(fā)明月面斜坡坡度累積分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]室內(nèi)軟著陸月面地形模擬技術(shù)是月球軟著陸GNC地面驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于此而研制的高仿真月面模擬沙盤(pán)屏，需要直接作為新研著陸導(dǎo)航敏感器(具有測(cè)距、測(cè)速和成像等功能)測(cè)量和成像的目標(biāo)。因此，月面模擬沙盤(pán)屏模擬得逼真和精確與否，將直接影響新研著陸導(dǎo)航敏感器功能性能地面測(cè)試的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響著陸避障GNC方案和算法地面驗(yàn)證的效果。
[0027]室內(nèi)軟著陸月面模擬主要解決三方面的問(wèn)題:一是月面地形地貌模擬的逼真度和精度，二是月面對(duì)不同譜段敏感器的反射特性量化模擬，三是大尺寸沙盤(pán)屏的研制問(wèn)題。問(wèn)題一的解決，主要為著陸導(dǎo)航敏感器、尤其是成像敏感器提供精確的地形數(shù)據(jù)，保證敏感器測(cè)距精度。問(wèn)題二的解決，則為不同譜段(可見(jiàn)光或激光等)敏感器的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了較為真實(shí)的月面環(huán)境。問(wèn)題三的解決，保證了敏感器測(cè)量目標(biāo)的完整性和一致性。
[0028]本發(fā)明所要得到的室內(nèi)月面模擬沙盤(pán)屏主要由高密度苯板、高仿真真石漆、超細(xì)石英砂等材料制成。其中，高密度苯板主要用于制作地形基礎(chǔ)輪廓，高仿真真石漆用于月面風(fēng)化巖石效果的基礎(chǔ)模擬，超細(xì)石英砂用于月壤的模擬制作。
[0029]如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖。室內(nèi)月面地形模擬基本方法可描述為“整體設(shè)計(jì)一一分層制作一一模塊化安裝三部分。整體設(shè)計(jì)主要指整體設(shè)計(jì)月面地形藍(lán)圖；分層制作包括基礎(chǔ)輪廓、月面障礙物和月壤三層制作；模塊化安裝指的是化整為零進(jìn)行多模塊現(xiàn)場(chǎng)拼裝。具體方案如下:
[0030](一)藍(lán)圖設(shè)計(jì)。
[0031]根據(jù)任務(wù)要求整體設(shè)計(jì)月面地形，并據(jù)此畫(huà)出該地形的等高線圖。該階段分成兩部分:地形設(shè)計(jì)和等高線圖設(shè)計(jì)。
[0032](I)地形設(shè)計(jì)
[0033]地形設(shè)計(jì)指的是根據(jù)待著陸的月面地形障礙分布規(guī)律設(shè)計(jì)出需要模擬的月面地形地貌，如石塊、坑、斜坡等月面障礙的尺寸、數(shù)量及在模擬地形中的分布情況等，根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)出待模擬的月面地形草圖。
[0034]月面地形障礙分布規(guī)律可參見(jiàn)美國(guó)NASA的文獻(xiàn)(NASA SP-8023, Lunar SurfaceModels, NASA Space Vehicle Design Criteria Environment)，石塊、月坑和斜坡的累積分布分別如圖2?4所示。
[0035]圖2、圖3和圖4分別給出了不同月面地形上的石塊、月坑和斜坡的累積分布情況。其中，圖2和圖3中的橫坐標(biāo)分別為石塊直徑和月坑直徑的大小，縱坐標(biāo)為相應(yīng)直徑下對(duì)應(yīng)的單位面積(每平方米)上的石塊和月坑的個(gè)數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)可知，月球上石塊的直徑和高度之比一般為2:1，月坑直徑和深度之比一般為3:1?5:1，因此根據(jù)圖2和圖3即可得到一定高度的石塊或一定深度的月坑對(duì)應(yīng)的單位面積的個(gè)數(shù)。圖4橫坐標(biāo)為斜坡的基線長(zhǎng)度(即斜坡底面長(zhǎng)度)，縱坐標(biāo)為相應(yīng)基線長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的平均坡度大小(單位為度)。三幅圖中，需要說(shuō)明兩點(diǎn):一是圖中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)皆為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，因此其坐標(biāo)中單位長(zhǎng)度的分布是不均勻的。二是每幅圖中都有三條曲線，分別對(duì)應(yīng)最大情況、一般情況和最小情況，這三種情況又分別對(duì)應(yīng)了丘陵地帶、起伏月海和平坦月海三種月面地形。丘陵或山區(qū)地勢(shì)較高，因此障礙分布數(shù)量多，危險(xiǎn)性大；月海地區(qū)較為平坦，因此障礙分布數(shù)量少，危險(xiǎn)性小。
[0036]根據(jù)圖2?圖4表示的三種月面障礙的累積分布規(guī)律、室內(nèi)月面模擬沙盤(pán)屏的尺寸以及著陸任務(wù)對(duì)危險(xiǎn)障礙的識(shí)別要求，可以確定石塊和月坑的大小、數(shù)量以及斜坡的坡度。確定的基本思路是:首先根據(jù)著陸任務(wù)對(duì)危險(xiǎn)障礙的定義和識(shí)別要求，確定危險(xiǎn)障礙的大??；其次根據(jù)危險(xiǎn)障礙的大小和障礙的累積分布規(guī)律(圖2?圖4)，確定危險(xiǎn)障礙(最常見(jiàn)的為石塊、月坑和斜坡三種類(lèi)型)單位面積(或基線)上的分布個(gè)數(shù)和斜坡大?。蛔詈?，根據(jù)研制的室內(nèi)月面模擬沙盤(pán)屏的面積，確定沙盤(pán)上應(yīng)設(shè)計(jì)的相應(yīng)障礙的數(shù)量。
[0037]以月面石塊為例來(lái)說(shuō)明月面地形設(shè)計(jì)過(guò)程。
[0038]首先，確認(rèn)石塊的種類(lèi)。假設(shè)任務(wù)要求識(shí)別的石塊高度為20cm，則在高于20cm和低于20cm的石塊當(dāng)中分別選取I?2個(gè)典型情況。根據(jù)前面的分析可知:月面上石塊的高度大約是其直徑的一半。因此，可選取石塊的高度包括15Cm、30Cm、40Cm，對(duì)應(yīng)石塊直徑分別為 30cm、60cm 和 80cm。
[0039]其次，確認(rèn)石塊的數(shù)量。根據(jù)圖2給出的石塊數(shù)量累計(jì)分布，以起伏月海為例，估算15cm、30cm和40cm高度的石塊在每平方米月面上的數(shù)量分別是0.04、0.009和0.006個(gè)。再根據(jù)需要研制的月面模擬沙盤(pán)屏的尺寸確定最終的石塊個(gè)數(shù)。如沙盤(pán)屏的尺寸為200平方米，則該沙盤(pán)屏上三種類(lèi)型的石塊數(shù)量可分別確定為8個(gè)、2個(gè)和I個(gè)。
[0040]最后，將障礙在沙盤(pán)屏上進(jìn)行隨機(jī)分布，最終得到月面地形草圖。
[0041](2)等高線圖設(shè)計(jì)
[0042]根據(jù)步驟(I)中獲得的月面地形草圖，利用AutoCAD等商業(yè)軟件即可畫(huà)出待模