一种行星安全着陆点在线选取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种行星安全着陆点在线选取方法，属于深空探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 由于地面能够获取的行星表面信息精度有限，较小尺寸的障碍往往在距离行星表 面较近时才能准确获得，并且在着陆过程中由于导航误差、模型不确定性等因素，探测器的 实际状态可能与标称状态出现较大的偏离，从而导致探测器无法精确到达预定着陆点或者 出现预定着陆点周围地形复杂不利于着陆等情况。传统的障碍检测与规避方法着重于对地 形障碍的分析，忽略了着陆过程对着陆任务安全性的影响。而在选取着陆点的方法上，则缺 乏对选取范围以及选取指标表示方法的分析与讨论。为了解决这些问题，需要一种实时在 线选取着陆点的方法，既考虑探测器着陆过程中的安全性，又能规避当前的地形障碍，从而 提尚着陆任务的安全性。
【发明内容】
[0003] 本发明公开的一种行星安全着陆点在线选取方法，要解决的技术问题是通过提供 一种考虑多种因素的行星安全着陆点在线选取方法，使探测器能够有效避开危险区域，以 很小的着陆速度及较少的燃耗着陆在安全的地区，并且能够提高行星着陆任务的安全性与 可靠性，为未来行星着陆任务提供技术支持和参考。其中，在行星安全着陆点选取过程中所 考虑的因素包括相机视场、探测器自身机动能力，以及影响安全着陆的因素，如地形、着陆 速度、燃耗等。
[0004] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
[0005] 本发明公开的一种行星安全着陆点在线选取方法，指的是在下降过程中，综合考 虑敏感器视场与探测器机动能力确定着陆点选取范围，并对地形和着陆性能进行评估，从 而实时选取出安全着陆点。
[0006] 本发明公开的一种行星安全着陆点在线选取方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1:确定安全着陆点选取范围。在得到机动能力边界后，将机动能力覆盖的区 域与敏感器视野取交集，将此交集范围作为安全着陆点选取范围，用于步骤2的着陆点选 择。
[0008] 安全着陆点的选取范围由敏感器视野范围与探测器机动能力共同决定。此处，敏 感器主要为相机，探测器的机动能力由燃耗椭圆来衡量。
[0009] 为获得高像素分辨率图像且使得图像重叠区域较多，用于行星探测的光学相机视 场角一般介于20到50度之间。当相机视角为45度时，图像分辨率和图像重叠综合效果最 好。相机的视野范围受探测器姿态与高度的影响，考虑到探测器在下降段姿态变化幅度较 小，仅将拍照高度作为影响视野范围的因素，高度越高，视野范围越宽广，所能进行观测的 地区也就越多。
[0010] 机动能力指的是探测器在耗尽所有携带燃料时所能飞到的最远距离。探测器在下 降段的燃耗主要来源于大功率推力发动机。在动力下降段开始之前，可以通过状态预测、燃 料质量等计算出探测器360度范围内的机动能力。具体来说，探测器的机动范围在以下燃 耗椭圆内
[0011]
[0012] 其半长轴a与半短轴b为
[0013]
[0014] 在上式中，AV指的是在燃耗允许范围内能改变的最大速度增量，E指的是探测器 的能量，m是探测器的质量，At为剩余着陆时间，vH为水平速度。
[0015] 受初始位置r。、初始速度V。以及各种约束的影响，所述的各种约束指决定相机视 野及机动能力范围的约束，包括相机视场角0、最大速度增量AV、探测器能量E、探测器质 量m以及着陆时间At，相机视野可能完全包含于机动范围内，也可能与机动范围相交，即 有一部分相机视野区域在机动能力范围外，机动能力范围外的区域超出了探测器的机动能 力，因此不适宜作为最终的着陆区而应该被舍弃。在计算得到机动能力边界后，还需将机 动能力覆盖的区域与相机视野取交集，将此交集范围作为安全着陆点选取范围，用于步骤2 的着陆点选择。
[0016] 步骤2 :在线实时获取地形安全性、着陆速度以及燃耗大小信息，利用综合考虑地 形安全性、着陆速度以及燃耗大小的公式（3)选择安全着陆点。
[0017]
[0018] 其中，Tji= 1，2, 3)为各项的权重，决定公式⑶中每部分对结果的影响大小， 经过归一化处理，每部分的取值均在[0, 1]。
[0019] 所述的安全着陆点选取指标LSSI选取方法为：
[0020] 为了保证着陆的安全性，首先需要考虑的是地形的安全性。地形的安全性包括两 个方面：着陆区内的障碍物尺寸必须要在探测器可容忍范围之内；着陆区必须足够大以满 足探测器的最大着陆偏差。鉴于此，在得到地形信息后，首先要对可见范围内的障碍进行识 另IJ，将对探测器构成威胁的区域所在的像素点标记为危险像素点，其余标记为安全像素点， 确定每个安全像素点的安全半径R，再通过导航误差、执行误差和外界干扰估算出着陆偏差 rf，采用公式（4)得到地形安全性评估指标
[0021]
[0022] 给定着陆偏差rf，通过选取合适的参数c，地形安全性评估指标^能够保证几乎所 有安全半径R小于着陆偏差rf的区域取1，大于着陆偏差rf的区域取0。取1的区域意味 着在着陆椭圆内有障碍存在，取0的区域则意味着整个着陆椭圆内都是安全的，从而将可 用于安全着陆的区域与危险区域区分开。当c较大时，整个指标的取值90%以上都是0或 1。当安全半径R与着陆偏差rf大小相近时，地形安全性评估指标11会出现剧烈的变化，表 明此时在着陆椭圆的边界处有障碍存在。
[0023] 在确保了地形安全后，还需要考虑探测器的着陆速度vf。着陆速度在竖直方向的 分量过大会对探测器造成致命的伤害，而其在水平方向的两个分量则有可能造成探测器侧 翻或倾倒，此处着重考虑竖直方向分量vfz。对于着陆速度vfz的估计同样需要加入导航误 差、执行误差与外界干扰。火星探测器所能容忍的最大冲击速度一般为3m/s，实际着陆速 度vfz-旦超过最大冲击速度，则可能造成探测器自身结构以及内部仪器的损毁，因此在评 估过程中需要选取着陆速度vfz尽可能小的区域。
[0024] 除此之外，还应考虑着陆过程中的燃耗情况。由于探测器能够携带的燃料有限，为 了保证着陆任务的安全完成，应尽可能选取燃耗较小的地方着陆。整个动力下降段的燃耗 用燃料质量比PMF表征
(5)[0026] 综合考虑地形安全性、着陆速度以及燃耗，得到安全着陆点选取指标LSSI:
[0025]
[0027]
[0028] 其中，Tji= 1，2, 3)为各项的权重，决定公式（6)中每部分对结果的影响大小， 经过归一化处理，每部分的取值均在[0, 1]。
[0029] 优选公式（7)的权重分配方法确定安全着陆点选取指标LSSI。
[0030]
[0031] 由于地形安全性评估指标It取值绝大多数时候为0或1，因此，安全的区域所对应 的安全着陆点选取指标LSSI的值均小于1，危险的区域则大于1，全局最小值处的坐标即为 新的安全着陆点。
[0032] 有益效果：
[0033] 本发明公开的一种行星安全着陆点在线选取方法，综合考虑相机视野与机动能 力，结合地形安全性、着陆速度以及燃耗，实时选取安全着陆点，使得探测器在避开障碍的 同时，以较小的速度与燃耗着陆在行星表面，从而能够提高探测任务的安全性与可靠性。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明公开的一种行星安全着陆点在线选取方法流程图；
[0035] 图2为仿真所用地形图；
[0036] 图3为着陆点选取范围图；
[0037] 图4为安全着陆点选取过程及结果图。
【具体实施方式】
[0038] 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。
[0039] 本实例中，推力发动机的比冲1@为225s，探测器质量m为1905kg，最大速度增量 AV为190m/s，着陆时间At为35s，探测器动力下降段的初始位置r。为[-300,-200, 1700]m，初始速度V。为[18, 20,-80]m/s，负号表示方向竖直向下。仿真中所采用的地形见图2。 [0040] 本实施例公开的一种行星安全着陆点在线选取方法，包括如下步骤：
[0041] 步骤1:确定安全着陆点选取范围。在得到机