一種行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于地面能夠獲取的行星表面信息精度有限，較小尺寸的障礙往往在距離行星表 面較近時才能準(zhǔn)確獲得，并且在著陸過程中由于導(dǎo)航誤差、模型不確定性等因素，探測器的 實(shí)際狀態(tài)可能與標(biāo)稱狀態(tài)出現(xiàn)較大的偏離，從而導(dǎo)致探測器無法精確到達(dá)預(yù)定著陸點(diǎn)或者 出現(xiàn)預(yù)定著陸點(diǎn)周圍地形復(fù)雜不利于著陸等情況。傳統(tǒng)的障礙檢測與規(guī)避方法著重于對地 形障礙的分析，忽略了著陸過程對著陸任務(wù)安全性的影響。而在選取著陸點(diǎn)的方法上，則缺 乏對選取范圍以及選取指標(biāo)表示方法的分析與討論。為了解決這些問題，需要一種實(shí)時在 線選取著陸點(diǎn)的方法，既考慮探測器著陸過程中的安全性，又能規(guī)避當(dāng)前的地形障礙，從而 提尚著陸任務(wù)的安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明公開的一種行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法，要解決的技術(shù)問題是通過提供 一種考慮多種因素的行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法，使探測器能夠有效避開危險區(qū)域，以 很小的著陸速度及較少的燃耗著陸在安全的地區(qū)，并且能夠提高行星著陸任務(wù)的安全性與 可靠性，為未來行星著陸任務(wù)提供技術(shù)支持和參考。其中，在行星安全著陸點(diǎn)選取過程中所 考慮的因素包括相機(jī)視場、探測器自身機(jī)動能力，以及影響安全著陸的因素，如地形、著陸 速度、燃耗等。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 本發(fā)明公開的一種行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法，指的是在下降過程中，綜合考 慮敏感器視場與探測器機(jī)動能力確定著陸點(diǎn)選取范圍，并對地形和著陸性能進(jìn)行評估，從 而實(shí)時選取出安全著陸點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明公開的一種行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1:確定安全著陸點(diǎn)選取范圍。在得到機(jī)動能力邊界后，將機(jī)動能力覆蓋的區(qū) 域與敏感器視野取交集，將此交集范圍作為安全著陸點(diǎn)選取范圍，用于步驟2的著陸點(diǎn)選 擇。
[0008] 安全著陸點(diǎn)的選取范圍由敏感器視野范圍與探測器機(jī)動能力共同決定。此處，敏 感器主要為相機(jī)，探測器的機(jī)動能力由燃耗橢圓來衡量。
[0009] 為獲得高像素分辨率圖像且使得圖像重疊區(qū)域較多，用于行星探測的光學(xué)相機(jī)視 場角一般介于20到50度之間。當(dāng)相機(jī)視角為45度時，圖像分辨率和圖像重疊綜合效果最 好。相機(jī)的視野范圍受探測器姿態(tài)與高度的影響，考慮到探測器在下降段姿態(tài)變化幅度較 小，僅將拍照高度作為影響視野范圍的因素，高度越高，視野范圍越寬廣，所能進(jìn)行觀測的 地區(qū)也就越多。
[0010] 機(jī)動能力指的是探測器在耗盡所有攜帶燃料時所能飛到的最遠(yuǎn)距離。探測器在下 降段的燃耗主要來源于大功率推力發(fā)動機(jī)。在動力下降段開始之前，可以通過狀態(tài)預(yù)測、燃 料質(zhì)量等計算出探測器360度范圍內(nèi)的機(jī)動能力。具體來說，探測器的機(jī)動范圍在以下燃 耗橢圓內(nèi)
[0011]
[0012] 其半長軸a與半短軸b為
[0013]
[0014] 在上式中，AV指的是在燃耗允許范圍內(nèi)能改變的最大速度增量，E指的是探測器 的能量，m是探測器的質(zhì)量，At為剩余著陸時間，vH為水平速度。
[0015] 受初始位置r。、初始速度V。以及各種約束的影響，所述的各種約束指決定相機(jī)視 野及機(jī)動能力范圍的約束，包括相機(jī)視場角0、最大速度增量AV、探測器能量E、探測器質(zhì) 量m以及著陸時間At，相機(jī)視野可能完全包含于機(jī)動范圍內(nèi)，也可能與機(jī)動范圍相交，即 有一部分相機(jī)視野區(qū)域在機(jī)動能力范圍外，機(jī)動能力范圍外的區(qū)域超出了探測器的機(jī)動能 力，因此不適宜作為最終的著陸區(qū)而應(yīng)該被舍棄。在計算得到機(jī)動能力邊界后，還需將機(jī) 動能力覆蓋的區(qū)域與相機(jī)視野取交集，將此交集范圍作為安全著陸點(diǎn)選取范圍，用于步驟2 的著陸點(diǎn)選擇。
[0016] 步驟2 :在線實(shí)時獲取地形安全性、著陸速度以及燃耗大小信息，利用綜合考慮地 形安全性、著陸速度以及燃耗大小的公式（3)選擇安全著陸點(diǎn)。
[0017]
[0018] 其中，Tji= 1，2, 3)為各項的權(quán)重，決定公式⑶中每部分對結(jié)果的影響大小， 經(jīng)過歸一化處理，每部分的取值均在[0, 1]。
[0019] 所述的安全著陸點(diǎn)選取指標(biāo)LSSI選取方法為：
[0020] 為了保證著陸的安全性，首先需要考慮的是地形的安全性。地形的安全性包括兩 個方面：著陸區(qū)內(nèi)的障礙物尺寸必須要在探測器可容忍范圍之內(nèi)；著陸區(qū)必須足夠大以滿 足探測器的最大著陸偏差。鑒于此，在得到地形信息后，首先要對可見范圍內(nèi)的障礙進(jìn)行識 另IJ，將對探測器構(gòu)成威脅的區(qū)域所在的像素點(diǎn)標(biāo)記為危險像素點(diǎn)，其余標(biāo)記為安全像素點(diǎn)， 確定每個安全像素點(diǎn)的安全半徑R，再通過導(dǎo)航誤差、執(zhí)行誤差和外界干擾估算出著陸偏差 rf，采用公式（4)得到地形安全性評估指標(biāo)
[0021]
[0022] 給定著陸偏差rf，通過選取合適的參數(shù)c，地形安全性評估指標(biāo)^能夠保證幾乎所 有安全半徑R小于著陸偏差rf的區(qū)域取1，大于著陸偏差rf的區(qū)域取0。取1的區(qū)域意味 著在著陸橢圓內(nèi)有障礙存在，取0的區(qū)域則意味著整個著陸橢圓內(nèi)都是安全的，從而將可 用于安全著陸的區(qū)域與危險區(qū)域區(qū)分開。當(dāng)c較大時，整個指標(biāo)的取值90%以上都是0或 1。當(dāng)安全半徑R與著陸偏差rf大小相近時，地形安全性評估指標(biāo)11會出現(xiàn)劇烈的變化，表 明此時在著陸橢圓的邊界處有障礙存在。
[0023] 在確保了地形安全后，還需要考慮探測器的著陸速度vf。著陸速度在豎直方向的 分量過大會對探測器造成致命的傷害，而其在水平方向的兩個分量則有可能造成探測器側(cè) 翻或傾倒，此處著重考慮豎直方向分量vfz。對于著陸速度vfz的估計同樣需要加入導(dǎo)航誤 差、執(zhí)行誤差與外界干擾?；鹦翘綔y器所能容忍的最大沖擊速度一般為3m/s，實(shí)際著陸速 度vfz-旦超過最大沖擊速度，則可能造成探測器自身結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部儀器的損毀，因此在評 估過程中需要選取著陸速度vfz盡可能小的區(qū)域。
[0024] 除此之外，還應(yīng)考慮著陸過程中的燃耗情況。由于探測器能夠攜帶的燃料有限，為 了保證著陸任務(wù)的安全完成，應(yīng)盡可能選取燃耗較小的地方著陸。整個動力下降段的燃耗 用燃料質(zhì)量比PMF表征
(5)[0026] 綜合考慮地形安全性、著陸速度以及燃耗，得到安全著陸點(diǎn)選取指標(biāo)LSSI:
[0025]
[0027]
[0028] 其中，Tji= 1，2, 3)為各項的權(quán)重，決定公式（6)中每部分對結(jié)果的影響大小， 經(jīng)過歸一化處理，每部分的取值均在[0, 1]。
[0029] 優(yōu)選公式（7)的權(quán)重分配方法確定安全著陸點(diǎn)選取指標(biāo)LSSI。
[0030]
[0031] 由于地形安全性評估指標(biāo)It取值絕大多數(shù)時候?yàn)?或1，因此，安全的區(qū)域所對應(yīng) 的安全著陸點(diǎn)選取指標(biāo)LSSI的值均小于1，危險的區(qū)域則大于1，全局最小值處的坐標(biāo)即為 新的安全著陸點(diǎn)。
[0032] 有益效果：
[0033] 本發(fā)明公開的一種行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法，綜合考慮相機(jī)視野與機(jī)動能 力，結(jié)合地形安全性、著陸速度以及燃耗，實(shí)時選取安全著陸點(diǎn)，使得探測器在避開障礙的 同時，以較小的速度與燃耗著陸在行星表面，從而能夠提高探測任務(wù)的安全性與可靠性。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明公開的一種行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法流程圖；
[0035] 圖2為仿真所用地形圖；
[0036] 圖3為著陸點(diǎn)選取范圍圖；
[0037] 圖4為安全著陸點(diǎn)選取過程及結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)例對
【發(fā)明內(nèi)容】
做進(jìn)一步 說明。
[0039] 本實(shí)例中，推力發(fā)動機(jī)的比沖1@為225s，探測器質(zhì)量m為1905kg，最大速度增量 AV為190m/s，著陸時間At為35s，探測器動力下降段的初始位置r。為[-300,-200, 1700]m，初始速度V。為[18, 20,-80]m/s，負(fù)號表示方向豎直向下。仿真中所采用的地形見圖2。 [0040] 本實(shí)施例公開的一種行星安全著陸點(diǎn)在線選取方法，包括如下步驟：
[0041] 步驟1:確定安全著陸點(diǎn)選取范圍。在得到機(jī)