安全精确软着陆月球导航方案设计.pdf

中国宇航学会深空探测技术专业委员会第一届学术会议2 0 0 5 年1 月哈尔滨暑皇寡鼍鼍皇曼曼曼暑墨曼詈皇詈詈曼詈皇! 鼍鼍喜晕! 鼍鼍詈菖詈量皇鲁鼍鼍曼量曼宣詈曼曼! 詈詈喜量鼍鼍曼鼍L i , i , 皇詈詈皇曼皇鼍鼍拿鼍皇詈曼詈皇曼皇鼍詈曼鲁皇安全精确软着陆月球导航方案设计李爽，张泽旭，崔平远( 哈尔滨工业大学．深空探测基础研究中心．哈尔滨1 5 0 0 0 ] )( E m a i l ：I ／s h m m g C 脚．h i t c c l u ．锄．T E L ：0 4 5 1 ·8 6 4 1 8 0 2 0 )文摘：当前的月球软着陆导航精度低、无障碍检测规避机动能力，很难适应未来深空探测安全精确着陆的需要．本文以安全．精确着陆月球为出发点，对软着陆月球的导航方案进行了初步的设计分析：利用光学导航传感器和星栽软件实现自主障碍检测和规避：为了得到探测器相对预定着陆点的状态信息设计了基于图像信息的着陆导航方案．主题词：软着陆；导航；障碍检测；障碍规避；月球1 引言为了对某些具有科学价值的区域进行实地考察研究或者执行取样返回任务，着陆器需要在预定区域实现安全软着陆·2 0 0 3 年圣诞节前后N A S A 的勇气号和机遇号火星探测器成功着陆火星并发回大量具有科学价值的火星图像。

日本预定2 0 0 6 年发射S E L E N E - B 探测器，主要练> - j 行星软着陆技术，并对月球形成、演化过程和月球地质特征进行研究我国的探月工程一嫦娥工程分三步实施：首先是从现在到2 0 0 7 年，一期工程主要是绕月探测；2 0 0 5 年至2 0 1 2 年，二期工程将实现月面软着落，探测与月面巡视勘查：2 0 1 0 年至2 0 1 7 年，三期工程将实现在月球着落采样返回地球安全软着陆行星、月球是深空探测活动所必须的、重要的一环当前的行星际探测活动的软着陆的成功率、生存率还是比较低4 0 多年来，前苏联、美国、日本和欧洲共实施了3 0 多次火星探测活动，其中2 ／3 以失败而告终；在月球探测活动中，前苏联的L u n a ( 1 9 5 9 - - 1 9 7 6 ) 系列和美国的S u r v e y o r ( 1 9 6 6 - - 1 9 6 8 ) 系列的成功着陆率也分别只有5 ／1 0 和5 ，7 ，这远远不能令人满意．因此，有必要发展新一代的软着陆导航方案．为了安全精确软着陆月球，本文中提出了一种新的自主软着陆月球导航制导方案新的着陆方案和传统的月球软着陆方案相比最大的不同之处在于着陆的最后阶段一即垂直下降段引入了危险区( 也称障碍区) 检测规避技术．为了实现在预定科学考察区域安全着陆，在垂直下降段着陆器利用导航相机对月球的地表面进行拍照，获取高分辨率灰度图像；然后利用星载的障碍( 危险) 区域检测、规避软件对所得到的灰度图像信息进行处理，一旦确认预选定的着陆点位于危险区．着陆器要进行规避机动、重新选定着陆点，以实现安全着陆。

为了保证着陆器实现安全着陆，在整个垂直下降过程中，障碍区域检测、规避算法一直循环工作，直到着陆器下降到距离地面1 米高的位置，此时制动发动机关闭，着陆器在月球引力的作用下自由落向月面．为了保证在垂直下降段着陆器有充足的燃料进行障碍规避机动，动力下降段中必须要保证燃耗最优或者此优图1 给出了软着陆行星的示意图图1 月球软着陆示意图8 5’安全精确软着陆月球导航方案设计本文在结构上分为三部分；第一部分是引言：第二部分简要的描述了着陆月球的飞行程序；第三部分给出了一种自主障碍检测算法，并给出了障碍规避策略；传统导航方案的不足和基于图像信息的着陆导航方案在第四部分中给出；最后一部分是结论和展望2 着陆飞行程序从月球停泊轨道开始，到探测器最终下降到月面结束整个着陆过程大致可分为四个阶段：1 ) 离轨机动根据预先选定的着陆点，确定探测器在停泊轨道上开始下降的位置和时刻制动发动机工作～段很短的时间，给予探测器一个有限的制动冲量，探测器离开原来运行的停泊轨道，开始向月面下降．离轨冲量的方向和轨道速度方向相反，冲量的大小要保证后面的霍曼转移轨道的近月点位于预定着陆点附近．2 ) 霍曼转移段探测器在制动脉冲结束后脱离原来的停泊轨道，进入过渡轨道。

过渡轨道是一条椭圆轨道，其近月点位于预定着陆点附近并且距离月面1 5 公里．3 ) 动力下降段探测器沿着半程霍曼转移轨道下降到近月点附近( 距月面1 5 公里) ，此时制动发动机开始工作，进入动力下降段动力下降段是一个全推力制动过程，这个阶段的主要任务是消除探测器速度的水平方向分量，同时控制探测器垂直方向的速度分量到一定的范围( 比如小于3 米／秒) 探测器所携带的化学推进剂大部分都在动力下降段被消耗，所以在设计这一阶段的制导控制系统的时候，要根据推进剂消耗量为性能指标，同时考虑到动力下降段的终点轨道参数，要与下一个阶段的要求相衔接4 ) 姿态稳定段’当探测器距离月面4 公里左右的高度时动力下降段结束，开始进入姿态稳定段姿态稳定段的主要任务是使着陆器的姿态相对于软着陆坐标系三轴稳定姿态稳定段持续的时间很短，飞行高度从4 0 5 0 米到4 0 0 0 米．5 ) 垂直下降段、当探测器下降到距离月面只有4 公里的高度时，发动机的工作状态由全推力转为开关调节或者降额工作( 特这变推力发动机) ，例如主发动机关机，小推力发动机组继续工作这一阶段的轨道可以设计成倾斜下降或者是垂直下降，即使轨道是倾斜下降，在最后的数十米的高度时也要转变为垂直下降。

为了对探测器构成威胁的大石头或者弹坑进行规避机动，垂直下降段需要利用星载障碍检测规避软件对C C D 导航相机得到的预定着陆点附近的图形信息进行处理分析，选择安全的着陆区域如果预定的着陆点位于障碍( 危险) 区域，探测器必须进行轨道机动，从而保证安全着陆月球3 障碍检测与规避从安全着陆的角度看，探测器预定着陆去应该选在平坦的平原地区，但有科学家价值的区域往往位于危险区，如陡峭的深谷和遍布弹坑、大石头的地区为了对有科学价值区域进行科学考察研究或者取样返回，并提高探测器成功着陆的概率，基于光学图像信息的障碍检测与规避技术是必须的3 ．1 障碍检测计算机视觉和数字图像处理中的很多关于图像分割、识别的方法都可以完成对障碍物的检测提取，如立体视觉方法、光流方法、从阴影中恢复图像和基于灰度信息的方法．考虑到垂直下降段时间很短( 约为1 0 0 多秒) 这一约束条件，着陆过程中应用的障碍检测算法首先要保证计算负担小、实时性好．同时要注意到，这里用到的障碍检测的目的是确定危险区域，而不是要完整的恢复地形高程图利用星载C C D 导航相机得到天体表面的灰度图像，首先通过对天体图像进行基于像素灰度值的操作得到障碍阴影区，接着沿太阳光照射方向和其法线方向对障碍阴影区进行扩张，最后得到危险着陆区．障碍可以认为地表面起伏比较大的区域或者坡度比较陡峭的区域，当存在光照的时候障碍往往会产生阴影．所以，如果从图像中检测出有阴影存在，那么在它附近必定存在障碍( 危险) 区域．所以可以通过利用对障碍区的阴影的检测从而实现障碍检测。

中国宇航学会深空探测技术专业委员会第一届学术会议2 0 0 5 年1 月哈尔滨考虑到工程约束( 能源需要和操作方便考虑) ，探测器的着陆时间段一般选择在白天( 星体当地时间) ．最好选择早上着陆，因为此时太阳高度角比较小，天体表面任何比较小的岩石和弹坑都会产生比较大的阴影．进一步假设着陆时当地的太阳高度角已知，从障碍的阴影就可以得到障碍大致的粗略形状．所以，通过我们可以通过障碍区域的阴影对障碍进行评估．通过下面三步操作，实现从灰度图像中检测出阴影区：( 1 ) 首先，选定合适阀值对天体表面灰度图像进行二值化处理；( 2 ) 接着，利用微分算子进行边缘检测：( 3 ) 最后，除去孤立的边缘点，并进行边缘闭合操作．在阴影区检测的基础上，通过障碍区定义算法实现障碍检测图2 、3 给出了障碍( 危险) 区域的定义通过系数a ，b ，C 可得到障碍区域和阴影区的关系第一步，首先沿着和太阳照射方向平行的方向进行定义障碍区：在障碍阴影长度已知的条件下，通过定义扩展系数a ，b ，扩展障碍阴影区( 沿太阳方向的长度) 就可以得到沿太阳照射方向的障碍区域的宽度．第二步，障碍区域沿太阳照射方向的法线方向扩张：定义太阳照射方向障碍区域外接椭圆，沿太阳光法线方向的半长轴为D ／2 ：定义法线方向的扩展系数c ，可得沿太阳照射法线方向的障碍宽度．a X Lb ×LI阴影Ll ，笮。

E ；宴／图2 危险区域定义示意图( 沿太阳光线方向定义)太阳光·●——_ - - —- - ————-·} ‘一c X．．I - - - - - - - - —一●●———- - - ——一图3 危险区域定义示意图( 沿着法线方向扩充)综合上面两步，就可从障碍的阴影区域检测出来障碍( 危险) 区域·3 ．2 障碍规避策略图4 自主障碍规避流程图星载计算机在完成对障碍区( 危险区) 的检测以后，是否需要进行障碍规避机动操作的判断被触发首先判断预定着陆点是否位于前面一步检测出的危险区，如果预定着陆点位于安全的着陆区．制导系统生8 7栅一一一一安全精确软着陆月球导航方案设计成制导率，控制着陆器直接落向预定的着陆点；反之，如果预定着陆点位于危险区，规避机动程序被触发，同时新的着陆点被选定，然后进入下一个障碍检测，安全着陆判断，规避机动的循环，直到着陆器到达距月面l 米高的位置，此时，制动发动机关车着陆器在引力的作用下自由下降到月球表面4 着陆导航方案4 ．1 传统着陆导航方案在传统月球着陆导航方案中，着陆器的实时姿态信息由星敏感器和太阳敏感器提供，位置和速度信息由惯性测量单元和雷达高度计提供。

由于在开始垂直下降段之前，探测器的体轴和月面的法线方向存在一个很大夹角，雷达高度计无法提供探测器的实时高度信息，所以在着陆过程的绝大部分时间内( 霍曼转移、动力下降和姿态稳定段) 导航只能依靠惯性测量的积分来完成由于纯惯性导航存在陀螺漂移的问题，传统着陆导航的精度很低，只能达到公里级传统着陆导航方案中导航误差主要来源于：：( 1 ) 在轨( 停泊轨道) 导航误差：( 2 ) 动力下降段中惯性导航由于陀螺漂移所带来的误差；( 3 ) 执行机构( 推进器) 产生的误差；( 4 ) 动力下降段开始点的姿态误差传统着陆导航方案存在另外一个问题是只能提供探测器绝对的位置、速度状态信息，而不能提供探测器相对于预定着陆点的位置、速度信息，因此无法实现精确着陆( P i n - p o i n tl a n d i n g ) ．，未来的月球和行星际着陆需要探测器具备精确着陆和障碍检测规避的能力，表l 对当前和未来着陆导航方案的性能指标进行了对比分析．表l 两种导航方案的性能指标性能指标传统方案当前方案着陆精度1 ．1 0 k mO ．1 ．1 ．0k m水平机动能力有限l0 0 - - 2 0 0 m障碍检测石头( 弹坑)无> O ．7 5 m斜坡无> 2 0 d e g导航精度．0 ．2 —2 0 k m1 0 ．1 0 0 m4 ．2 基于图像信息着陆导航方案为了提高月球着陆导航的精度，在传统导航方案的基础上，选用光学导航相机来提供探测器相对于预定着陆点的位置和速度信息。

同时，通过对光学导航相机得到预定着陆点附近区域的图像信息，星载件软可以自动完成障碍的检测和规避，从而实现安全精确着陆( S a f ea n dp i n ．p o i n tl a n d i n g ) 图5 给出了基于图像信息安全精确软着陆月球导航制导逻辑方框图基于图像信息运动评估算法和自主障碍检测规避算法是整个着陆导航算法的核心．4 ．2 ．1 算法说明( 1 ) 特征点提取与跟踪算法为了保证探测器安全着陆月球，理想的着陆场应该选择比较平坦开阔的区域，但这些平坦区域可用于跟踪的特征点比较少为了保证基于特征跟踪相对运动评估算法在此种情况下的有效性，当探测器距离月面一定高度的时候自动释放人工路标．然后跟踪人工路标，进行相对运动评估为了保证在连续跟踪过程中不出现某个特征点很快就落在视场之外的现象，特征点应尽可能分散：当用于跟踪的特征点落在相机视场之外时为了保证运动评估算法的正常运行必须相机图像中选取新的特征点，这一过程称之为特征点的继承．( 2 ) 基于图像信息的运动评估算法算法原理：通过计算若干( 比如3 个) 特征点在一系列图像中位置和方位的变化，来反算着陆器相对于小天体表面的位置，进而来估算着陆器相对于地面的相对速度：特征点是图像中具有显著明暗变化的局部区域的中心．为了保证该算法具有很好的实时性，算法的复杂度一定要小；仅靠图像信息无法解决图像中的距离和中国宇航学会深空探测技术专业委员会第一届学术会议2 0 0 5 年1 月哈尔滨真实距离之间的相对比例问题以及小角度转动和平动引起的歧义问题，借助激光测距仪解决前一个问题，而后一个问题的解决需要借助于惯性测量数据。

3 ) 障碍检测和安全着陆场选择算法原理：计算地形图中预定着陆点的倾斜度和不平整度，当预定的着陆点的倾斜度或不平整度超过预先设定的临界值的时，就认定该位置为危险区( 障碍区) ．障碍的临界值和着陆器的尺寸有关可选则离障碍区最远的备选着陆点作为安全着陆点图5 基于图像安全精确着陆逻辑方框图说明：上图中粉红色方框代表各种传感器；天蓝色方框图代表各种算法；而灰色的方框图则代表算法的输出信息．4 ．2 ．2 算法执行过程．整个自主着陆导航算法包括下面几步：．( 1 ) 对来自于导航相机的预定着陆点附近月面图像( 灰度图像) 信息进行分析、处理，提取用于跟踪的特征点；( 2 ) 利用模板匹配算法进行特征点跟踪：( 3 ) 利用星载相对运动评估软件计算探测器相对于月面的运动状态( 位置、速度) ；( 4 ) 利用扩展卡尔曼滤波估算探测器的着陆状态，并对预定的着陆点进行评估：( 5 ) 利用自主障碍检测算法选择安全着陆区域：，( 6 ) 制导控制系统控制着陆器安全精确着陆月球．5 结论本文对安全精确着陆月球的导航方案进行了初步的设计光学导航相机的引入使探测器具有了初步的障碍检测规避能力，从而大大提高了软着陆的安全性；同时基于图像信息的着陆导航算法弥补传统着陆导航方案不能提供探测器相对预定着陆点状态的不足，从而保证实现精确着陆月球。

未来的月球和行星际探测任务需要安全精确的软着陆技术，因此本文中的导航方案对于未来的月球探测任务和行星际探测任务的软着陆方案的设计有一定的借鉴作用安全精确软着陆月球导航方案设计参考文献【1 】Y o s h 咖k il s h i j i m a , H a y a t oO h n oa n dT a k a h i r o K i n o s h i t a ．T h ec o n c e p m a ld e s i g nr e s u l t so fg u i d a n c ea n dn a v i g a t i o nfo rl u n a rl a n d i n gp r o b e ．J S T S V 0 1 ．1 4 , N O ．1 ，2 1 ·3 0S h u j 打oS a w a l , Y a s u h i r oK a t a y a m a , S h u i c h iS a s a , K o h t a r oM a t s u m o t o O b s t a c l eD e t e c t i o na n dA v o i d a n c ef o rL a n d i n go nL u n a rS u r f a c e ．, 1 4 t hW o r k s h o po nA s t r o d y n a r n i c sa n dF l i g h tM e c h a n i c sY o s h i y u k iI s h i j i m a , S t u d yo nH i g hA c c u r a t eN a v i g a t i o na n dG u i d a n c ef o rt h eL u n a rS o f tL a n d i n gE x p e r i m e n t a lV c h i cl c ( S E L E N E ·B ) ，1 3 t hW o r k s h o po nA s t r o d y n a m i c sa n dF l i g h tM e c h a n i c sH i r o m iG o m i ，R e a l ·t i m er e c o g n i t i o no ff i a ta r e 丛f o rl u n a rl a n d i n gu s i n gt h es h a p e - f o r m - s h a d i n gm e t h o dP e n t l a n dt cc h n i q u c , l3 t l lW o r k s h o po nA s t r o d y n a m i c sa n dF l i g h tM e c h a n i c sT a k a h i r oK i n o s h i t a , H a r u a k iI t a g a k i , Y b k oN i s h i oa n dg o j iY a m a n a k ．T h ec o n c e p t u a ld e s i g nr e s u l t so fg u i d a n c ea n dn a v i g a t i o nf o rl u n a rl a n d i n gp m b c ．7 t hW o r k s h o po nA s t r o d y n a m i c sa n dF l i g l l tM e c h a n i c sC h e n g ．Y a n g , J o h n s o n ．A n d r e w ．E , M a t t h i e s ．L a r r y ．H ．a n dO l s o n ．C l a r L EO p t i c a ll a n d m a r kd e t e c t i o nf o rs p a c e c r a ／! tn a v i g a ti o n ．A d v a n c e si nt h eA s t r o n a u t i c a lS c i e n c e s , V114 ，．nS U P P L ．，2 0 0 3 ，P17 6 7 - 17 8 5V a s i l e ．M a s s i m i l i a n o , D a v i g h i ．A n d r e a , S t a f f i e r e ．G i a n d o m c n i c oa n dL a v a g n a ．M i c h e l l e ．A u t o n o m o u sl a n d i n gm a n o e u v r fb yl a n d m a r kt r a c k i n gt e c h n i q u e ．A d v a n c e si nt h eA s t r o n a u t i c a lS c i e n c e s , V1 1 2 I ，2 0 0 2 ，P6 4 7 - 6 6 0M i s u ．T o s h i h i k o ．H a s h i m o t o ．T a t s u a k ia n dN i n o m i y a ．K e i k e n ．O p t i c a lg u i d a n c ef o ra u t o n o m o u sl a n d i n go fs p a c e c r a f t ．IE E ET r a n s a c t i o n so nA e r o s p a c ea n dE l e c t r o n i cS y s t e m s , v3 5 ，I r l2 ’A p t , 1 9 9 9 ，p4 5 9 - 4 7 3G a s k e l l ．R o b e r t W ．A u t o m a t e dl a n d m a r ki d e n t i f i c a t i o n f o rs p a c e c r a f tn a v i g a t i o n ．A d v a n c e si nt h eA s t r o n a u t i c a lS c i e n c eSV1 0 9I l l , 2 0 0 2 , P1 7 4 9 ·1 7 5 6N a R o ．T o m o y u k i 。

O b s t a c l ed e t e c t i o nf o ra u t o n o m o u sl a n d i n go fs p a c e c r a f tu s i n gm u l t i p l ei m a g e s , A d v a n c e si nt h e 栅o n a u t i c a lS c i e n c e s , V11 0 ，2 0 0 2 , P3 5 - 4 5田铆川嘲网忉嘲唧呈：。