CN103472848A - 一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法 - Google Patents

Abstract

一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法，首先利用雷达测量三个方向的距离和速度信息，然后利用距离信息获取姿态，再利用速度信息获取姿态，来确认和校正距离信息获取的探测器姿态，最后调整姿态角来控制探测器的降落姿态，使探测器垂直于小行星表面并降落。本发明利用探测器上安装的搜捕测量雷达测量小行星探测器的着陆姿态，减少额外的测姿载荷，信号处理速度快，占用计算空间小，方便实现、精度较高、可靠性高，且避免了光照、推进器喷射气体扬起的尘土对姿态敏感器的不利影响。

Description

一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法

技术领域

本发明涉及一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法。

背景技术

探测器在小行星表面着陆时相对于小行星表面的姿态被称为小行星探测器着陆姿态。为保证探测器垂直、安全地在小行星表面着陆，不仅需要选择尽量平整的着陆点，降落时探测器的姿态测量和姿态控制则更为重要。

目前，国外主要利用视觉来测量小行星探测器的着陆姿态，如美国的NEAR号探测器(《The landing of the NEAR-Shoemaker spacecraft on asteroid 433 Eros》，Nature，2001，413(6854)：390-393)和日本的“隼鸟号”(《An autonomous navigation and guidance system for MUSES-C asteroid landing》，IAA International conference，2003，52(2-6)：125-131)在分别对“爱神”小行星和“丝川”小行星进行着陆的过程中都使用了光学敏感器测量探测器的着陆姿态。文献(《基于视觉辅助IMU的小行星精确着陆导航方法研究》，中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集，2012) 描述的是视觉信息辅助惯性测量获取探测器着陆姿态的方法，其采用的载荷仍离不开光学敏感器。采用光学敏感器能直观和高精度地测量探测器的着陆姿态，但也有很多缺陷：1、视觉图像信息处理速度较慢，占用计算空间大；2、由于多数行星表层覆盖着一层颗粒极小的尘土（例如火山灰），当尘土厚度较大时，其覆盖的地表真实地形情况会被掩盖，传统的光学姿态测量方式无法穿透尘土对地表进行观测，得到的探测器姿态只能是相对于尘土表面体现出的地貌，如果平整的尘土下存在着岩块、裂缝、空洞等不规则的地形情况，将会使探测器着陆时发生损毁甚至坠毁，造成严重的后果；3、在探测器垂直着陆过程中，由于推进器向下喷射高速运动的气体，这个过程中由于大量尘土被气流冲击扬起，会严重影响光学系统的探测能力，在30m高度时基本上光学敏感器不能工作。

发明内容

本发明提供的一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法，利用探测器上安装的搜捕测量雷达测量小行星探测器的着陆姿态，减少额外的测姿载荷，信号处理速度快，占用计算空间小，方便实现、精度较高、可靠性高，且避免了光照、推进器喷射气体扬起的尘土对姿态敏感器的不利影响。

为了达到上述目的，本发明提供一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法，该雷达测量方法包含以下步骤：

步骤1、雷达测量三个方向的距离和速度信息；

三个方向是相对于探测器垂直方向等间隔均匀分布，三个方向均匀分布且两两之间夹角固定为θ，与探测器底面垂线的夹角固定且相等；三个方向与小行星表面垂线的夹角θ₁、θ₂和θ₃定义为探测器相对于小行星表面的姿态角；

测量得到三个方向的距离r₁、r₂和r₃，以及三个方向的速度v₁、v₂和v₃；

步骤2、利用距离信息获取姿态；

探测器与小行星表面实际垂直距离无法直接获得，假设为r；

根据数学关系可知：

                         (1)

式（1）中：r、θ₁、θ₂和θ₃为未知量，r₁、r₂和r₃为雷达测得的三个方向相对于行星表面的距离信息，θ为三个方向之间的固定已知夹角；

要得到姿态角θ₁、θ₂和θ₃，需有r、θ₁、θ₂和θ₃之间的具体关系式，根据几何关系可以得到：

                    (2)

其中，

                (3)

                     (4)

     (5)

至此，由式（1）可求出姿态角θ₁、θ₂和θ₃，

                       (6)；

由于实际应用中θ₁、θ₂和θ₃均小于θ，而θ < 180^o，所以根据式（6）即可计算得到姿态角θ₁、θ₂和θ₃；

步骤3、利用速度信息获取姿态，来确认和校正距离信息获取的探测器姿态；

假设探测器实际下降的未知速度为v，则可求得姿态角θ₁、θ₂和θ₃：

                       (7)

其中，

                       (8)

                  (9)

      (10)

式（10）中，v₁、v₂和v₃是雷达测得的相对速度信息，D₁、D₅均可由v₁、v₂和v₃和已知量θ求得；

步骤4、调整姿态角来控制探测器的降落姿态，使探测器垂直于小行星表面并降落；

调整姿态角θ₁、θ₂和θ₃的大小就可以调整探测器的姿态，当保持姿态角θ₁=θ₂=θ₃降落时，即可保证探测器垂直于小行星表面降落。

所述的步骤1中，采用安装在探测器底部的搜捕测量雷达通过相控阵雷达多波束或常规星载雷达分时测量来测量三个方向的距离和速度信息。

本发明具有如下优点：

1、利用雷达测量小行星探测器的着陆姿态，信号处理速度快，占用计算空间小；

2、利用雷达（微波）可以穿过小行星表面的尘土层，获得相对于小行星表面真实地形的姿态信息，确保探测器的着陆安全；

3、利用雷达可以全天时全天候获得探测器相对小行星表面的姿态，避免光照、推进器喷射气体扬起的尘土对姿态敏感器的不利影响；

4、根据当前小行星探测器的任务需求，探测器上均安装有搜捕测量雷达，可以利用此雷达测量探测器着陆姿态，减少额外的测姿载荷；

5、联合利用雷达测量的三个方向距离和速度信息测量小行星探测器着陆姿态，具有方便实现、精度较高、可靠性高等优势，能确保探测器垂直、稳定、安全地着陆。

附图说明

图 1为小行星探测器雷达测姿示意图；

图2为小行星探测器雷达测姿数学模型；

图3为姿态角之间相互关系示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。

探测器在着陆前，一般要在距离小行星表面一定距离处以较低速度下降或悬停，以调整探测器的姿态。此时可以利用搜捕测量雷达测量相对于探测器三个方向距离小行星表面的距离信息获取探测器的姿态，然后控制姿态使探测器垂直于小行星表面并降落。

为了实时动态调整探测器的姿态，在探测器下降时可以通过测量三个方向的速度信息来获取姿态信息。这样，可以修正距离测姿由于行星表面较大起伏带来的误差。

本发明提供一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法，该雷达测量方法包含以下步骤：

步骤1、雷达测量三个方向的距离和速度信息；

如图1所示，搜捕测量雷达安装在探测器的底部，测量三个方向的距离和速度信息（可以通过相控阵雷达多波束或常规星载雷达分时测量实现）；

如图2所示，三个方向是相对于探测器垂直方向等间隔均匀分布，三个方向均匀分布且两两之间夹角固定为θ，与探测器底面垂线的夹角固定且相等；三个方向与小行星表面垂线的夹角θ₁、θ₂和θ₃定义为探测器相对于小行星表面的姿态角；

测量得到三个方向的距离r₁、r₂和r₃，以及三个方向的速度v₁、v₂和v₃；

步骤2、利用距离信息获取姿态；

探测器与小行星表面实际垂直距离无法直接获得，假设为r；

根据数学关系可知：

                         (1)

式（1）中：r、θ₁、θ₂和θ₃为未知量，r₁、r₂和r₃为雷达测得的三个方向相对于行星表面的距离信息，θ为三个方向之间的固定已知夹角；

要得到姿态角θ₁、θ₂和θ₃，需有r、θ₁、θ₂和θ₃之间的具体关系式，根据几何关系可以得到：

                    (2)

其中，

                (3)

                     (4)

     (5)

至此，由式（1）可求出姿态角θ₁、θ₂和θ₃，

                       (6)；

由于实际应用中θ₁、θ₂和θ₃均小于θ，而θ < 180^o，所以根据式（6）即可计算得到姿态角θ₁、θ₂和θ₃。

如图3所示， ABC平面设为小行星表面，O点为雷达所在位置，P点为O点在ABC平面的垂点，r为探测器到小行星表面的未知垂直距离，由此图和几何关系可以得到r、θ₁、θ₂和θ₃之间的关系；

步骤3、利用速度信息获取姿态，来确认和校正距离信息获取的探测器姿态；

利用距离信息获取探测器姿态时，如果小行星表面有较大起伏，则获取的姿态存在较大的误差，当探测器下降时，可以利用速度测量信息获取姿态来确认和校正距离信息获取的探测器姿态；

假设探测器实际下降的未知速度为v，则可求得姿态角θ₁、θ₂和θ₃：

                       (7)

其中，

                       (8)

                  (9)

      (10)

式（10）中，v₁、v₂和v₃是雷达测得的相对速度信息，D₁、D₅均可由v₁、v₂和v₃和已知量θ求得；

由距离测量信息获取姿态信息后，着陆时探测器已调整至垂直或近似垂直于小行星表面下降，此时根据速度信息获取的姿态角θ₁、θ₂和θ₃与小行星表面的起伏无关，可以避免利用距离测量信息获取姿态时由于小行星表面起伏带来的较大误差；

但利用速度信息不能像利用距离信息一样独立进行姿态的测量；

结合利用距离信息获得姿态和利用速度信息获得姿态的优缺点，联合利用这个测量信息动态测量和控制探测器姿态，可确保探测器垂直、安全地着陆；

步骤4、调整姿态角来控制探测器的降落姿态，使探测器垂直于小行星表面并降落；

调整姿态角θ₁、θ₂和θ₃的大小就可以调整探测器的姿态，当保持姿态角θ₁=θ₂=θ₃降落时，即可保证探测器垂直于小行星表面降落。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法，其特征在于，该雷达测量方法包含以下步骤：

步骤1、雷达测量三个方向的距离和速度信息；

三个方向是相对于探测器垂直方向等间隔均匀分布，三个方向均匀分布且两两之间夹角固定为θ，与探测器底面垂线的夹角固定且相等；三个方向与小行星表面垂线的夹角θ₁、θ₂和θ₃定义为探测器相对于小行星表面的姿态角；

测量得到三个方向的距离r₁、r₂和r₃，以及三个方向的速度v₁、v₂和v₃；

步骤2、利用距离信息获取姿态；

探测器与小行星表面实际垂直距离无法直接获得，假设为r；

根据数学关系可知：

                         (1)

式（1）中：r、θ₁、θ₂和θ₃为未知量，r₁、r₂和r₃为雷达测得的三个方向相对于行星表面的距离信息，θ为三个方向之间的固定已知夹角；

要得到姿态角θ₁、θ₂和θ₃，需有r、θ₁、θ₂和θ₃之间的具体关系式，根据几何关系可以得到：

                    (2)

其中，

                (3)

                     (4)

     (5)

至此，由式（1）可求出姿态角θ₁、θ₂和θ₃，

                       (6)；

由于实际应用中θ₁、θ₂和θ₃均小于θ，而θ < 180^o，所以根据式（6）即可计算得到姿态角θ₁、θ₂和θ₃；

步骤3、利用速度信息获取姿态，来确认和校正距离信息获取的探测器姿态；

假设探测器实际下降的未知速度为v，则可求得姿态角θ₁、θ₂和θ₃：

                       (7)

其中，

                       (8)

                  (9)

      (10)

式（10）中，v₁、v₂和v₃是雷达测得的相对速度信息，D₁、D₅均可由v₁、v₂和v₃和已知量θ求得；

步骤4、调整姿态角来控制探测器的降落姿态，使探测器垂直于小行星表面并降落；

调整姿态角θ₁、θ₂和θ₃的大小就可以调整探测器的姿态，当保持姿态角θ₁=θ₂=θ₃降落时，即可保证探测器垂直于小行星表面降落。

2.如权利要求1所述的小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法，其特征在于，所述的步骤1中，采用安装在探测器底部的搜捕测量雷达通过相控阵雷达多波束或常规星载雷达分时测量来测量三个方向的距离和速度信息。

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