一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法
【专利摘要】本发明涉及一种复杂地形安全度评估方法，尤其涉及一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，属于深空探测技术领域。一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，通过提出安全因子的概念，并将之具体化后应用在复杂地形安全度评估问题中，为复杂地形着陆任务安全性的考察提供了一种量化方法，进一步将评估结果进行等级划分，得到复杂地形的安全度。通过对安全因子具体形式的调整，该方法可被广泛应用到各类行星着陆任务的前期任务规划设计以及任务执行过程中，起到规避障碍、提高着陆性能、降低失败风险等作用。
【专利说明】
-种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种复杂地形安全度评估方法，尤其设及一种基于安全因子的复杂地 形安全度评估方法，属于深空探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 未来行星探测任务要求探测器着陆在具有科学价值的区域，运样的区域往往地形 复杂，对着陆精度及着陆安全性提出了极大的挑战。为了解决运一问题，在任务的设计阶段 W及任务的执行阶段，需要对目标天体的候选着陆区进行技术分析与评估，得到其中适宜 着陆的区域，为之后的着陆工作提供参考。目前，国内外学者已提出若干综合评估着陆区及 着陆点的方法，运些方法大多内容分散，形式各异。为了完善统一已有方法，需要提出一种 综合考虑多种因素的指标来满足不同行星着陆任务的需求，对行星表面复杂地形的安全度 进行合理量化，从而当着陆对象或环境改变时，仍能较好完成对复杂地形安全度的评估工 作，分析得到着陆在不同地方的危险性，提高任务的安全性与成功率。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，该方法通过 提出安全因子的概念，并将之应用在复杂地形安全度评估问题中，为复杂地形着陆任务安 全性的考察提供了一种量化方法，进一步将评估结果进行等级划分，得到复杂地形的安全 度。
[0004] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0005] -种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤一、确定具体化的安全因子表达式。安全因子由若干因素指标通过加权得到， 结合任务需求及探测目标特点，选取需要进行评估的因素指标、采用的函数形式W及加权 方式，得到具体化的安全因子表达式。
[0007] 从安全角度出发，提出安全因子(Safety Index,简称SI)的概念，将其作为一个普 适评估标准，用于对复杂地形进行量化分析，其定义为
[0008] SI 竺 F(Jactx)r\，Jaclx)i.2..Jacior N)
[0009] 安全因子取值越小，该区域就越安全。安全因子中的因素指标（factor 1， 化ctor2. . .factorN)主要包括:地形情况、着陆精度、着陆速度及姿态、燃耗、误差及环境干 扰。每种因素指标所采用的具体函数形式既可W是离散函数，也可W是在有限范围内变化 的连续函数。加权方式根据每种因素指标对任务成败的重要程度来决定，若认为所选因素 对任务影响相近、不分上下，可对每部分因素指标赋予相同权值;若某一项或某几项因素对 任务成败影响更大，则可通过加大该因素指标的权值，增加该因素在分析结果中所占的比 重。
[0010] 考虑上述因素指标、采用的函数形式和加权方式的情况下，得到一个具体化的安 全因子；
[0011] 步骤二、评估复杂地形安全度。根据步骤一得到的具体化的安全因子对网格化后 的复杂地形进行量化评估;通过设置区间，将评估结果分级，得到复杂地形安全度。
[0012] 步骤一所述安全因子的因素指标采用的函数形式为：S型函数、min-max标准化函 数、多项式函数或Ξ角函数；
[0013] 复杂地形安全度是对安全因子的取值进行合理划分的结果，表明了探测器着陆在 不同地方可能产生的危险性大小，安全度越高，其危险性也就越小。在选择划分区间时，需 要结合安全因子的整体取值范围W及各部分评估指标的取值特点，尽可能将安全区域、危 险区域W及介于其间的模糊区域划分开，安全度的级别个数可根据实际情况进行调整，用 安全度来对复杂地形着陆任务的成功率进行衡量，从而达到评估的目的，为之后的着陆过 程起到指导作用。
[0014] 有益效果
[0015] 本发明公开的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，通过提出安全因子 的概念，并将之具体化后应用在复杂地形安全度评估问题中，为复杂地形着陆任务安全性 的考察提供了一种量化方法，进一步将评估结果进行等级划分，得到复杂地形的安全度。安 全度等级越高，表明该区域越适宜着陆；反之，安全度等级越低，着陆在该区域危险性就越 高。通过对安全因子具体形式的调整，该方法可被广泛应用到各类行星着陆任务的前期任 务规划设计W及任务执行过程中，起到规避障碍、提高着陆性能、降低失败风险等作用。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明公开的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法流程图；
[0017] 图2为惯性系下推力矢量的方向；
[0018] 图3为仿真中进行评估的复杂地形，其中(a)为Ξ维地形图，（b)为地形俯视图；
[0019] 图4为S型函数变化曲线，其中（a)为地形情况指标变化情况，（b)为着陆速度指标 变化情况；
[0020] 图5为评估过程及安全因子计算结果，其中（a)为地形情况指标评估结果，（b)为着 陆速度指标评估结果，（C)为着陆姿态指标评估结果，（d)为安全因子的计算结果；
[0021] 图6为复杂地形安全度评估结果，其中（a)为安全因子等高线图，（b)为复杂地形安 全度的计算结果。
【具体实施方式】
[0022] 为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对
【发明内容】
做进一步 说明。
[0023] 不失一般性，本实例选用火星着陆过程进行分析，在着陆点固连惯性系下采用最 优控制制导，其制导律解析形式为
[0024]
(2)
[0025] 其中，a为控制加速度，Δν及Ar分别为探测器当前速度/位置与预定着陆点处速 度/位置的差，tg。表示剩余着陆时间，g是当地重力加速度。加速度矢量a的方向即为主推力T 的方向。如图2所示，推力T的方向与竖直方向Z轴的夹角^可由式(3)计算得到
[002W
(引
[0027] 图3中，用于评估的复杂地形大小为2000m X 2000m。探测器初始位置ro为[-300,- 200，1700]m，初始速度v()为[18,20，-80]m/s。在理想条件下，探测器应W零速度垂直降落在 行星表面，但在实际过程中，由于误差与干扰的存在使得探测器的着陆速度与姿态均与预 定状态有所偏差，为了真实模拟着陆过程中的环境不确定性与系统误差，在仿真中加入5% 的执行误差及阵风干扰。
[0028] 本实施例公开的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，包括如下步骤：
[0029] 步骤一、确定具体化的安全因子表达式。安全因子由若干因素指标通过加权得到， 结合任务需求及探测目标特点，选取需要进行评估的因素指标、采用的函数形式W及加权 方式，得到具体化的安全因子表达式。
[0030] 需要注意的是，在具体化安全因子表达式的过程中，还需考虑不同目标天体在探 测过程中的差异，具体表现在用时长短及侧重内容上。小行星与曽星尺寸更小、形状不规 贝1J，产生的引力小且分布不均，着陆在运类天体上通常要经历更长的时间，着陆速度也相对 更小。因此，探测器有充足的时间对行星表面进行检测与分析，通过星载计算机或接收地面 站的指令信息完成对复杂地形的评估。评估因素上，由于弱引力对探测器的束缚有限，过大 的着陆速度及倾斜的着陆姿态可能造成探测器在复杂地形中剧烈的弹跳甚至逃逸，同时外 界的扰动对着陆性能的影响也更加明显，运些因素在评估过程中应重点考虑。相比之下，W 火星为代表的主要天体引力大且分布相对均匀，可容忍一定范围内的着陆速度与外界扰 动，但其着陆过程相对更加快速，加上与地球通讯的时延问题，只能在着陆前依靠星上自主 系统对有限范围内的复杂地形进行简单快速的评估，因此要求安全因子形式简单便于计 算。
[0031] 在本实施例中，要求探测器在避开障碍物的同时，W尽可能小的速度垂直降落在 火星表面，故选取地形情况、着陆速度W及着陆姿态作为评估因素。为了直观的判断所给复 杂地形是否安全W及便于Ξ种因素指标在组成安全因子时形式与取值统一，将每种因素指 标的具体函数形式都设定为S型函数，进而得到具体化的安全因子表达式
[00 创
（4)
[0033] 其中，cia = l，2,3)为正常数，R，vfz，口e分别为安全半径(指探测器着陆点与最近 障碍物之间的距离）、竖直速度分量W及推力方向与竖直方向的夹角，D，Vfz"ax，口 分别为 它们的临界值。此处认为地形情况、着陆速度W及着陆姿态对于任务的成败影响相当，权重 均取为1。
[0034] S型函数的计算结果可W分为Ξ类，即大于临界值、小于临界值及在临界值附近。 可W看到，式(4)中第一部分的形式与后两部分略有差别，运是由于地形情况指标中临界值 D是下边界，着陆速度指标与着陆姿态指标的临界值Vfzmax，吟tmax是上边界。通过适当调整具 体形式，可W保证地形情况、着陆速度W及着陆姿态Ξ部分指标都是值越小，区域越安全。 W地形情况为例，假设安全半径临界值D = 50m，目标着陆点的安全半径R在Om到100m之间变 化，该部分指标的变化情况见图4(a)。着陆速度与着陆姿态两部分的指标也有着类似的变 化规律，只是变化方向与地形情况指标相反，如图4 (b)所示。
[0035] 步骤二、评估复杂地形安全度。根据步骤一得到的具体化的安全因子对网格化后 的复杂地形进行量化评估;通过设置区间，将评估结果分级，得到复杂地形安全度。
[0036] 在使用具体化的安全因子对复杂地形进行分析前，需要首先得到地形情况、着陆 速度W及着陆姿态Ξ部分指标各自的计算结果。将地形进行网格划分，对每一个网格分别 按Ξ种因素指标进行计算并将所有网格的计算结果整合在一张图上，分别得到图5(a)、5 (b)及5(c)。将W上Ξ张图的结果按照安全因子中的加权方式即式(4)进行相加，得到安全 因子的计算结果，如图5(d)所示。可W看到，安全因子整体取值范围在0到3之间，值越大，该 区域就越危险，反之则越安全。
[0037] 进一步通过设置区间对安全因子评估结果进行划分，得到复杂地形安全度。由于 满足地形情况、着陆速度W及着陆姿态约束的区域每部分的指标取值都接近为0,任何超过 约束的部分取值都接近1，故判断出适宜着陆的区域其安全因子的总体取值小于1。对安全 因子计算结果进行分析得到如图6(a)所示的安全因子等高线图。由于安全因子的整体取值 范围为(〇,3)，小于1的部分认为满足约束，此处将其取值划分为6个区间，对应着不同的地 形安全度
[0038]
(S)
[0039] 安全度越高，安全因子的值越小，表明着陆面临的危险越小。将安全度对应到复杂 地形上，得到图6(b)，其中颜色越浅的部分安全度越高，在此区域着陆的安全性越有保障， 相反，颜色越深的部分则危险性越大。在后续的着陆过程中，探测器只需向着安全度高的区 域运动即可在最大程度上保障着陆任务的顺利完成。
[0040] 本发明保护范围不仅局限于实施例，实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同 原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，其特征在于:包括如下步骤： 步骤一、确定具体化的安全因子表达式;安全因子由若干因素指标通过加权得到，结合 任务需求及探测目标特点，选取需要进行评估的因素指标、采用的函数形式以及加权方式， 得到具体化的安全因子表达式； 安全因子的定义为(1) factorl，factor2. . .factorN为安全因子中的因素指标，所述因素指标主要包括:地形 情况、着陆精度、着陆速度及姿态、燃耗、误差及环境干扰； 考虑上述因素指标、采用的函数形式和加权方式的情况下，得到一个具体化的安全因 子； 步骤二、评估复杂地形安全度;根据步骤一得到的具体化的安全因子对网格化后的复 杂地形进行量化评估;通过设置区间，将评估结果分级，得到复杂地形安全度。2. 如权利要求1所述的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，其特征在于:步 骤一所述因素指标所采用的具体函数形式既可以是离散函数，也可以是在有限范围内变化 的连续函数。3. 如权利要求1或2所述的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，其特征在 于:步骤一所述加权方式根据每种因素指标对任务成败的重要程度来决定，若认为所选因 素对任务影响相近、不分上下，可对每部分因素指标赋予相同权值;若某一项或某几项因素 对任务成败影响更大，则可通过加大该因素指标的权值，增加该因素在分析结果中所占的 比重。4. 如权利要求1所述的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，其特征在于:步 骤一所述安全因子的因素指标采用的函数形式为:S型函数、min-max标准化函数、多项式函 数或三角函数。5. 如权利要求1所述的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，其特征在于:步 骤二所述复杂地形安全度是对安全因子的取值进行合理划分的结果，表明了探测器着陆在 不同地方可能产生的危险性大小，安全度越高，其危险性也就越小;在选择划分区间时，需 要结合安全因子的整体取值范围以及各部分评估指标的取值特点，尽可能将安全区域、危 险区域以及介于其间的模糊区域划分开，安全度的级别个数可根据实际情况进行调整，用 安全度来对复杂地形着陆任务的成功率进行衡量，从而达到评估的目的，为之后的着陆过 程起到指导作用。
【文档编号】G06T17/05GK105844046SQ201610218860
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】崔平远, 葛丹桐, 高艾, 于正湜, 朱圣英, 徐瑞
【申请人】北京理工大学