尽可能的提高激光雷达 的作用距离，还必须考虑接收机内光电转换器件的光电转换量子效率、放大倍数和响应率。 为了达到上述目的，本发明采用905nm的激光波长可以有效的避开空间太阳辐射的峰值波 段，提高激光雷达的抗背景光干扰能力，还可以使接收机保持比较高的灵敏度，保证激光雷 达的最大作用距离。
[0021] 请继续参阅图1，为了便于产品升级以及卫星整体的结构设计，在本实施方式中， 所述电子系统位于电子舱，光学系统位于光学舱。将系统分割成光学舱、电子舱两个部分意 义重大，其一，两个部分升级时，可以单独进行升级，互不影响，极大地提高了产品对功能变 化的适应性；其二，在卫星的布局中，探测器一般放在舱外，电子学系统正常情况下放入舱 内，分舱设计有利于卫星整体的构型设计。
[0022] 请参阅图2和图3并结合图1，本发明用于小行星探测的附着探测敏感器的工作过 程如下： 首先，光学系统的四组测量系统各自向小行星表面发射测量光束，如图2所示，在本实 施方式中，光学系统11的四组测量系统向小行星表面发射四束方向不同的测量光束而在 小行星表面形成四个测量点，每三个测量点不在同一直线上，测量光束与本体中心轴线之 间的夹角是30度。所述光学系统测量每条测量光束的距离信息式，该距离信息4是用于 小行星探测的附着探测敏感器与测量点之间的距离，光学系统如何获得该距离属于成熟技 术，在此不再赘述。
[0023] 接着，设四组测量系统的安装方位角与俯仰角分别为^,每组测量系统测量的 距离信息为4,比如，第一条测量光束对应的距离信息为，这样，四条测量光束各自的测 距矢量可以表示为
由于任意不在同一直线上的三个点都能唯一确定一个平面，因此，上述四个测量点中 每三个不在同一直线上且四束测量光束可以获得四个测距矢量，利用其中三个测距矢量， 即可确定任意三个测量点构成的平面的法线在所述附着探测敏感器本体坐标系下的方向 矢量：
最后，根据该指向获得每两个平面间的平面法向量夹角，判断平面法向量夹角与 预定值，在每个平面法向量夹角均小于预定值时，判定所述四个测量点在同一平面，反 之，不在同一平面。在该步骤中，首先将获得的四个平面法向量拟合成附着区域的法 线向量(也或者说拟合矢量)，如果附着区域没有岩石、陨石坑等障碍，则四个测量点 将位于同一平面内，即解算的四个附着平面法向量夹角应小于限定的阈值f，也就是
I寸，即可以确定该四个 测量点构成的平面内无障碍物，由此，通过计算平面法向量夹角即可实现区域障碍检测功 能。
[0024] 请参阅图3,本发明还能够确定附着探测敏感器与附着区(也可以称为附着平面或 者着陆平面）的相对姿态，具体过程如下： 设附着探测敏感器本体坐标系的三轴方向矢量为\和\，则附着区的法线与附 着探测敏感器本体X轴的夹角:碑关系为：
附着区的法线与附着探测敏感器本体y轴的夹角关系为：
附着区的法线与附着探测敏感器本体z轴的夹角P关系为：
综上所述，本发明是利用多测量光束测量原理，以固定角度安装由多台激光测距仪构 成的光学系统测量在安装方向上附着探测敏感器与附着区之间的距离，由于光学系统的各 光学测量系统安装的角度信息已知，因此可以获得附着探测敏感器本体坐标系下安装方向 上小天体（小行星）表面相交点的矢量表示形式；然后，利用任意三个测距矢量能够确定附 着区的法向方向，使用不同的探头组合就能确定当前着陆面的平整度，从而判断当前位置 是否适合着陆(也即附着区是否有障碍)。同时利用平面法向量而获得拟合矢量，根据拟合 矢量和附着探测敏感器本体坐标系的三轴方向矢量分别为$、％和$，可以确定目标着 陆点法向与探测器着陆面法向的相对关系，从而确定探测器与小行星表面的相对姿态信 息。本发明可以应用于小行星附着探测任务，以及行星着陆器最终着陆段的姿态快速确定 与避障任务。
[0025] 基于上述技术思路，本发明还公开用于小行星探测的附着区障碍检测方法。该障 碍检测方法参见前述平整度的叙述，在此不再赘述。
【主权项】
1. 用于小行星探测的附着探测敏感器，其特征在于：该探测敏感器包括光学系统和电 子系统，其中， 所述光学系统向小行星表面发射四束方向不同的测量光束而在小行星表面形成四个 测量点，每三个测量点不在同一直线上，该光学系统测量每条测量光束的距离信息； 所述电子系统根据第条测量光束的距离信息冷以及方位角与俯仰角4,成而获得位 置矢量％ c_:_s ^卿痛：：:sln禮j，根据位置矢量获得由每三个测量点确定的 平面的法线在附着探测敏感器本体坐标系下的方向矢量.％:，根据该方向矢量获得每两个 平面间的平面法向量夹角，判断平面法向量夹角与预定值，在每个平面法向量夹角均小于 预定值时，判定所述四个测量点在同一平面，反之，不在同一平面。2. 如权利要求1所述的用于小行星探测的附着探测敏感器，其特征在于：所述电子系 统还根据所述平面法向量而获得拟合矢量％丨，根据拟合矢量和附着探测敏感器本体坐标 系的三轴方向矢量％和&而获得敏感器与附着平面的相对姿态如下：3. 如权利要求1所述的用于小行星探测的附着探测敏感器，其特征在于：所述电子系 统位于电子舱，光学系统位于光学舱。4. 如权利要求1所述的用于小行星探测的附着探测敏感器，其特征在于：所述四条测 量光束中，测量光束与本体中心轴线之间的夹角是30度。5. 如权利要求1所述的用于小行星探测的附着探测敏感器，其特征在于：所述光学系 统发出的测量光束是波长为905nm的激光。6. 用于小行星探测的附着区障碍检测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤： 51、 向小行星表面发射四束方向不同的测量光束而在小行星表面形成四个测量点，每 三个测量点不在同一直线上，该光学系统测量每条测量光束的距离信息； 52、 根据第1条测量光束的距离信息< 以及方位角与俯仰角辞，f而获得位置矢量 =病cos乌cos辑sm玛an邊],根据位置矢量获得由每三个测量点确定的平面的 法线在附着探测敏感器本体坐标系下的方向矢量?%，根据该指向获得每两个平面间的平 面法向量夹角，判断平面法向量夹角与预定值，在每个平面法向量夹角均小于预定值时，判 定所述四个测量点在同一平面，附着区无障碍，反之，不在同一平面，附着区有障碍。7. 如权利要求5所述的用于小行星探测的附着区障碍检测方法，其特征在于：所述四 条测量光束中，相邻测量光束之间的夹角是30度。8.如权利要求5所述的用于小行星探测的附着区障碍检测方法，其特征在于：所述测 量光束是波长为905nm的激光。
【专利摘要】本发明公开用于小行星探测的附着探测敏感器及附着区障碍检测方法。所述敏感器包括光学系统和电子系统。所述光学系统向小行星表面发射四束方向不同的测量光束而在小行星表面形成四个测量点，每三个测量点不在同一直线上，该光学系统测量每条测量光束的距离信息。所述电子系统根据第条测量光束的距离信息以及方位角与俯仰角，而获得位置矢量，根据位置矢量获得由每三个测量点确定的平面的法线在附着探测敏感器本体坐标系下的方向矢量，根据该指向获得每两个平面间的平面法向量夹角，判断平面法向量夹角与预定值，在每个平面法向量夹角均小于预定值时，判定所述四个测量点在同一平面，反之，不在同一平面。本发明解决了附着探测敏感器与小行星相对距离的快速确定问题和着陆区障碍检测问题。
【IPC分类】G01C21/24, G01B11/30
【公开号】CN105091801
【申请号】CN201410187726
【发明人】曹涛, 刘宇, 顾玥, 褚英志, 杨德钊, 侯云忆
【申请人】上海新跃仪表厂
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月6日