CN104821127A - 一种室内软着陆月面地形模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种室内软着陆月面地形模拟方法，步骤为：(1)根据待着陆的月面地形障碍分布规律，确定待模拟的月面地形草图及等高线图；(2)选取苯板作为月面地形基础轮廓制作的基础材料，根据任务需求和需要模拟的月面特性确定苯板面积和厚度；(3)根据等高线图对苯板进行加工切割，得到沙盘基础轮廓；(4)在沙盘基础轮廓上整体均匀喷涂石英砂；(5)确定模拟月面不同位置对敏感器的反射特性，并寻找到不同颜色的真石漆分别对应不同反射特性，将相应颜色的真石漆喷涂在石英砂表面，由此得到月面地形模拟沙盘。本发明方法不仅能根据需求精确模拟月面地形地貌的起伏，还能精确模拟月面对不同谱段光学敏感器的反射特性，可用于月球软着陆的地面试验验证。

Description

一种室内软着陆月面地形模拟方法

技术领域

本发明涉及一种在实验室内进行月面地形地貌模拟的方法，利用该方法可研制月面模拟沙盘屏以用于软着陆成像和避障控制技术的地面试验验证。

背景技术

进入二十一世纪后，月球作为开展深空探测的前哨站再次成为世界各航天大国争相研究的热点，而月球软着陆技术是对月球进行深入研究的必备技术。中国是除美国和俄罗斯外第三个实现月球软着陆的国家。由于月球表面地形较为复杂且人类对其知之较少，软着陆的安全性尤其受到关注。因此，无论是美国、俄罗斯还是中国，都在地面上进行了充分的半实物或者全实物仿真加以验证。美国Apollo载人登月是通过宇航员目测来规避障碍，实现安全软着陆的。Bellman和Matranga为Apollo计划设计了一种称为LLRV(Lunar LandingResearch Vehicle)的全实物仿真验证系统，便于宇航员操作试验器进行室外着陆试验。该试验下月面地形的模拟只关注了月面的地貌特征。日本的月球软着陆计划——“月神”(SELenological and Engineering Explorer，SELENE)同样采用了一个全实物的飞行验证平台(Fly Test Bed，FTB)来对GNC算法和敏感器设备的功能性能进行验证。但由于该试验并没有验证成像敏感器的功能性能及平移避障控制策略，因此也没有研制相应的月面模拟沙盘。

国内方面，专利号为ZL200710121319.X，名称为“月球软着陆制导、导航与控制半物理仿真试验系统”的中国专利提及了一套月面模拟沙盘屏，但该沙盘屏对月面地形的模拟采用了1：10的缩比方式，且采用较单一的标称几何体(半球体、圆柱体等)进行地形模拟，难以真实反映月面地形的起伏情况，并且对不同谱段光学敏感器的反射特性也没有精确量化，只能进行定性验证。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种在实验室内对月面地形进行模拟的方法，不仅能根据需求精确模拟月面地形地貌的起伏情况，还能精确模拟月面对不同谱段光学敏感器的反射特性，可用于月球软着陆的地面试验验证。

本发明的技术解决方案是：一种室内软着陆月面地形模拟方法，包括如下步骤：

(1)根据待着陆的月面地形障碍分布规律确定需要模拟的月面的面积大小和地形地貌，由此得到待模拟的月面地形草图，并根据月面地形草图得到相应的等高线图；所述的地形地貌包括石块和月坑的大小、数量，斜坡的坡度，以及石块、月坑和斜坡的分布情况；

(2)选取苯板作为月面地形基础轮廓制作的基础材料，根据需要模拟的月面的面积大小，确定苯板的面积，根据月坑深度和斜坡高度，确定苯板的厚度；

(3)根据所述等高线图，利用数控机床对苯板进行加工切割，使得加工得到的斜坡和月坑均与月面地形草图相吻合，由此得到沙盘基础轮廓；同时，单独用苯板切割出相应大小的石块轮廓，并打磨出石块的不规则外形，然后根据月面地形草图将苯板制作的石块粘贴在沙盘基础轮廓上；

(4)在步骤(3)得到的沙盘基础轮廓上整体均匀喷涂石英砂，制作出沙盘屏的沙粒质感；

(5)确定需要模拟的月面不同位置对敏感器的反射特性，并寻找到不同颜色的真石漆分别对应不同月面反射特性，将相应颜色的真石漆喷涂在相应的石英砂表面，由此得到最终的月面地形模拟沙盘。

所述步骤(5)中寻找到不同颜色的真石漆分别对应不同月面反射特性的方法为：

(21)对若干沙盘小样喷涂不同颜色的真石漆，以此改变沙盘表面的反射率大小；真石漆的颜色以接近月表的灰色为主，至少制作浅灰、中灰和深灰三种不同颜色的小样；

(22)将不同谱段的光源和沙盘小样都放置在转台台面上，利用光源对沙盘进行垂直照射，同时根据不同光学敏感器的工作谱段，采用相应的滤波片，利用光功率计进行反射光功率测量，记录得到的反射光功率值；

(23)采用相同谱段的反射率数值已知的标准月面反射靶板重复步骤(22)，并将两次获取的反射光功率数据进行比对，根据比值关系计算当前沙盘小样对于该谱段敏感器的反射率数值；

(24)判断反射率数值是否满足参考值的要求，若不满足，则调整真石漆的颜色深浅直至反射率数值满足要求；调整原则为反射率数值小于参考值时将颜色调浅，反之调深；

(25)重复步骤(21)～(24)，直至找到不同月面区域的、且同时满足不同谱段敏感器反射特性的真石漆颜色为止。

本发明与现有技术相比的优点在于：传统沙盘制作主要关注外形的可观性，借此直观的表明所描述的目标事物，属于定性设计，如建筑沙盘、军事沙盘等。本发明方法提出的模拟月面地形的沙盘需要精确的定量设计，以为着陆导航敏感器的性能测试标定提供测量目标。因此与传统沙盘相比，其研制的重点在于如何真实而定量化地模拟月面地形起伏的效果，并模拟出月面对不同谱段敏感器的反射特性。具体说来，其优点表现在如下几个方面：

(1)本发明方法可精确模拟月面地形对不同谱段光学敏感器的反射特性，使着陆导航敏感器的工作性能得到较为真实的地面测试标定；

(2)本发明方法可提高月面地形模拟的逼真度和精度，满足着陆导航敏感器的测量和成像精度要求；

(3)本发明针对大尺寸月面地形采用模块化设计，便于运输、安装和月面场景更换，地形模拟的通用性和扩展性好；

(4)利用本发明方法研制的月面模拟沙盘屏已成功应用于我国嫦娥三号软着陆GNC半物理仿真试验中，并为我国首次成功落月发挥了作用。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明月面石块数量累积分布图；

图3为本发明月坑数量累积分布图；

图4为本发明月面斜坡坡度累积分布图。

具体实施方式

室内软着陆月面地形模拟技术是月球软着陆GNC地面验证的关键技术之一，基于此而研制的高仿真月面模拟沙盘屏，需要直接作为新研着陆导航敏感器(具有测距、测速和成像等功能)测量和成像的目标。因此，月面模拟沙盘屏模拟得逼真和精确与否，将直接影响新研着陆导航敏感器功能性能地面测试的准确性，进而影响着陆避障GNC方案和算法地面验证的效果。

室内软着陆月面模拟主要解决三方面的问题：一是月面地形地貌模拟的逼真度和精度，二是月面对不同谱段敏感器的反射特性量化模拟，三是大尺寸沙盘屏的研制问题。问题一的解决，主要为着陆导航敏感器、尤其是成像敏感器提供精确的地形数据，保证敏感器测距精度。问题二的解决，则为不同谱段(可见光或激光等)敏感器的技术参数设计和优化提供了较为真实的月面环境。问题三的解决，保证了敏感器测量目标的完整性和一致性。

本发明所要得到的室内月面模拟沙盘屏主要由高密度苯板、高仿真真石漆、超细石英砂等材料制成。其中，高密度苯板主要用于制作地形基础轮廓，高仿真真石漆用于月面风化岩石效果的基础模拟，超细石英砂用于月壤的模拟制作。

如图1所示，为本发明方法的流程框图。室内月面地形模拟基本方法可描述为“整体设计——分层制作——模块化安装三部分。整体设计主要指整体设计月面地形蓝图；分层制作包括基础轮廓、月面障碍物和月壤三层制作；模块化安装指的是化整为零进行多模块现场拼装。具体方案如下：

(一)蓝图设计。

根据任务要求整体设计月面地形，并据此画出该地形的等高线图。该阶段分成两部分：地形设计和等高线图设计。

(1)地形设计

地形设计指的是根据待着陆的月面地形障碍分布规律设计出需要模拟的月面地形地貌，如石块、坑、斜坡等月面障碍的尺寸、数量及在模拟地形中的分布情况等，根据这些要求，设计出待模拟的月面地形草图。

月面地形障碍分布规律可参见美国NASA的文献(NASA SP-8023,LunarSurface Models,NASA Space Vehicle Design Criteria Environment)，石块、月坑和斜坡的累积分布分别如图2～4所示。

图2、图3和图4分别给出了不同月面地形上的石块、月坑和斜坡的累积分布情况。其中，图2和图3中的横坐标分别为石块直径和月坑直径的大小，纵坐标为相应直径下对应的单位面积(每平方米)上的石块和月坑的个数。根据文献可知，月球上石块的直径和高度之比一般为2：1，月坑直径和深度之比一般为3：1～5：1，因此根据图2和图3即可得到一定高度的石块或一定深度的月坑对应的单位面积的个数。图4横坐标为斜坡的基线长度(即斜坡底面长度)，纵坐标为相应基线长度对应的平均坡度大小(单位为度)。三幅图中，需要说明两点：一是图中的横坐标和纵坐标皆为对数坐标，因此其坐标中单位长度的分布是不均匀的。二是每幅图中都有三条曲线，分别对应最大情况、一般情况和最小情况，这三种情况又分别对应了丘陵地带、起伏月海和平坦月海三种月面地形。丘陵或山区地势较高，因此障碍分布数量多，危险性大；月海地区较为平坦，因此障碍分布数量少，危险性小。

根据图2～图4表示的三种月面障碍的累积分布规律、室内月面模拟沙盘屏的尺寸以及着陆任务对危险障碍的识别要求，可以确定石块和月坑的大小、数量以及斜坡的坡度。确定的基本思路是：首先根据着陆任务对危险障碍的定义和识别要求，确定危险障碍的大小；其次根据危险障碍的大小和障碍的累积分布规律(图2～图4)，确定危险障碍(最常见的为石块、月坑和斜坡三种类型)单位面积(或基线)上的分布个数和斜坡大小；最后，根据研制的室内月面模拟沙盘屏的面积，确定沙盘上应设计的相应障碍的数量。

以月面石块为例来说明月面地形设计过程。

首先，确认石块的种类。假设任务要求识别的石块高度为20cm，则在高于20cm和低于20cm的石块当中分别选取1～2个典型情况。根据前面的分析可知：月面上石块的高度大约是其直径的一半。因此，可选取石块的高度包括15cm、30cm、40cm，对应石块直径分别为30cm、60cm和80cm。

其次，确认石块的数量。根据图2给出的石块数量累计分布，以起伏月海为例，估算15cm、30cm和40cm高度的石块在每平方米月面上的数量分别是0.04、0.009和0.006个。再根据需要研制的月面模拟沙盘屏的尺寸确定最终的石块个数。如沙盘屏的尺寸为200平方米，则该沙盘屏上三种类型的石块数量可分别确定为8个、2个和1个。

最后，将障碍在沙盘屏上进行随机分布，最终得到月面地形草图。

(2)等高线图设计

根据步骤(1)中获得的月面地形草图，利用AutoCAD等商业软件即可画出待模拟地形的等高线图。

(二)轮廓制作。

根据月面地形模拟的等高线图，利用高密度苯板加工出整个沙盘的基础轮廓，使其满足一定的精度要求。

(1)首先，确定基础轮廓材料。

选取重量轻且易于加工的高密度苯乙烯板(以下简称苯板)作为月面地形基础轮廓制作的基础材料。

(2)其次，确定苯板尺寸。

根据沙盘屏研制要求，确定所需苯板面积，如要建设18m×10m(长×高)的沙盘屏，则所需苯板面积至少应为180m²。同时，根据月面地形障碍设计结果(主要参考月坑深度和斜坡高度)，确定苯板厚度。如障碍中月坑最深为40cm，相应区域的苯板厚度至少为40cm。

(3)再次，基础轮廓加工。

根据蓝图设计中的等高线图，利用数控机床按从低到高的顺序对高密度苯板依次进行切割，保证地形整体起伏及地形上局部山峰、沟壑等细节部分与实际地形相吻合。

(4)最后，单独制作石块等障碍。

对于突起的石块，仍然利用苯板，通过单独制作、局部粘贴的方式将其呈现在沙盘基础轮廓上。首先根据蓝图设计中确定的石块高度和直径大小切割出所有石块的轮廓包络，然后将石块轮廓进行随机打磨，使石块的外形具有凹凸感和不规则的效果，最后，将加工好的所有石块按照设计好的地形草图对应粘贴在沙盘基础轮廓上。

(三)模块分割。将地形基础轮廓切割成若干小模块.

对于较大尺寸的月面模拟沙盘屏，难以一次性整体运输并进行室内安装。因此，在整体地形轮廓制作完成后，需要对其进行模块分割。基于运输和安装固定的方便性，并考虑现场进货门的尺寸限制，将沙盘屏等分成若干小模块，待分别运输到现场后再进行拼接安装固定。如对于18m×10m(长×高)的沙盘屏，可分割成3m×2m的沙盘模块共30块。

(四)安装固定。将沙盘基础轮廓运抵现场进行模块化拼装；

(1)首先，确定安装方式。

根据任务需求，需要事先确认月面模拟沙盘屏的安装方式，如采用水平安装还是竖直安装。

(2)其次，研制支撑钢架。

根据不同的安装方式，设计相应的沙盘支撑结构。对于竖直安装方式，考虑到支撑钢架和沙盘的自身重量，需要采用工字钢等作为支撑钢架的骨架，并在每块沙盘模块骨架上增加斜拉的钢筋以加强固定，从而保证支撑钢架具有足够的刚度。必要时还可对支撑钢架结构进行力学分析确认变形情况，进一步确保安全性。

(3)再次，研制安装支架。

对于切割的若干沙盘模块，需要研制其与支撑钢架连接的安装支架，并通过简单的螺栓方式进行固定。要求既满足模块安装更换的便利性要求，又能保证设备和人员的安全性。

(4)最后，固定沙盘模块。

根据沙盘屏地形蓝图，将若干个沙盘模块按一定顺序拼接并固定在支撑钢架上。

(五)反射特性模拟。

调整真石漆颜色，制作不同小样，利用光功率计检测对不同谱段光学敏感器的反射系数。

月面反射特性的模拟主要是为相对测量的敏感器(如激光测距测速敏感器、可见光成像敏感器、激光三维成像敏感器等)提供较为真实的月面测量环境，从而保证相对测量的准确性。

本发明给出的月面模拟沙盘屏对不同体制敏感器反射特性的模拟通过调节喷涂的真石漆颜色来实现。如何确定喷涂漆的颜色，即如何确定沙盘屏表面的反射率数值是该阶段的关键点。确定沙盘屏反射率数值的具体实施方式如下：

(1)首先，确定月面对敏感器的反射特性。

参见美国NASA的文献(NASA SP-8023,Lunar Surface Models,NASASpace Vehicle Design Criteria Environment)，确定如下两种光学谱段敏感器的反射特性参考值：

可见光谱段(600nm～800nm)：月面石块或凸起的反射率为10％～24％，凹坑的反射率为5％～20％，月壤平面的反射率为5％～10％。

激光谱段(1064nm)：月面反射率为6％～20％。

(2)其次，制作用于测试的沙盘小样。

对若干沙盘小样喷涂不同颜色的真石漆，以此改变沙盘表面的反射率大小。真石漆的颜色以接近月表的灰色为主，至少制作浅灰、中灰和深灰三种不同颜色的小样，便于有的放矢地调整真石漆颜色。

(3)再次，进行反射率数值检测。

设计小型反射率检测试验，试验设备组成包括光源、光功率计、标准靶板和单轴转台等。

检测步骤如下：a)将不同谱段的光源和沙盘小样都放置在转台台面上，光源对沙盘进行垂直照射。b)根据不同谱段的敏感器，采用不同谱段的滤波片，并按照一定的接收角度利用光功率计进行反射光功率测量，记录得到的反射光功率值。c)采用相同谱段的标准月面反射靶板(其反射率数值已知)重复a)和b)的操作，将二者的反射光功率数据进行比对。根据比值关系计算当前沙盘小样对于该谱段敏感器的反射率数值。d)确认是否满足(1)中的参考值要求，若不满足，则调整真石漆的颜色深浅(小于参考值则浅一些，大于参考值则深一些)。

(4)最后，确定喷涂的真石漆颜色。

对于不同谱段的敏感器，重复(3)中的四个步骤，直至找到不同月面区域的、且同时满足不同谱段敏感器反射特性的真石漆为止。

(六)整体喷涂。进行高仿真真石漆和超细石英砂的整体喷涂，模拟出月面石块、月坑和月壤的视觉效果，并保证各模块接缝处过渡自然。

整体喷涂是月面模拟沙盘屏研制的最后一个阶段，其主要功能是模拟出月面石块、月坑、月壤等不同地形地貌的视觉效果和和对不同谱段敏感器的反射特性，并保证各模块接缝处过渡自然，达到整体效果。具体实施方式如下：

(1)首先，进行沙盘模块接缝填充。

利用白腻子等对沙盘模块间的接缝处进行整体填充，确保整个沙盘成为一体。

(2)其次，进行整体石英砂喷涂。

利用超细石英砂(直径小于0.1mm)对沙盘基础轮廓进行整体均匀喷涂，制作出沙盘屏的沙粒质感和漫反射效果。

(3)再次，进行真石漆喷涂上色。

首先利用第五阶段选取的障碍区域真石漆对石块、月坑等进行局部喷涂，保证障碍区域表面的反射率满足指标要求。然后利用选取的月壤部分真石漆对沙盘屏其它区域进行整体喷涂，保证月壤表面的反射率满足指标要求。

(4)最后，进行地形过渡区域修正。

整体喷涂完毕后，根据需要最后一步是对月壤、石块和月坑的过渡处进行修正(因为石块、月坑、月壤平面等不同地形的反射率有重叠，因此可以简单的选取一种真石漆，只需保证各种地形的反射率相同即可)。依靠几种真石漆调出混合漆进行过渡喷涂，保证交界处颜色和反射特性过渡自然。如对于凹坑和月壤平面的过渡修正，由于凹坑边缘反射率较高，而平面月壤部分反射率较低，因此两种真石漆按照1：1比例混合后，其反射率将介于二者之间，只需将混合漆均匀喷涂在二者的过渡处即可。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种室内软着陆月面地形模拟方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据待着陆的月面地形障碍分布规律确定需要模拟的月面的面积大小和地形地貌，由此得到待模拟的月面地形草图，并根据月面地形草图得到相应的等高线图；所述的地形地貌包括石块和月坑的大小、数量，斜坡的坡度，以及石块、月坑和斜坡的分布情况；

(2)选取苯板作为月面地形基础轮廓制作的基础材料，根据需要模拟的月面的面积大小，确定苯板的面积，根据月坑深度和斜坡高度，确定苯板的厚度；

(3)根据所述等高线图，利用数控机床对苯板进行加工切割，使得加工得到的斜坡和月坑均与月面地形草图相吻合，由此得到沙盘基础轮廓；同时，单独用苯板切割出相应大小的石块轮廓，并打磨出石块的不规则外形，然后根据月面地形草图将苯板制作的石块粘贴在沙盘基础轮廓上；

(4)在步骤(3)得到的沙盘基础轮廓上整体均匀喷涂石英砂，制作出沙盘屏的沙粒质感；

(5)确定需要模拟的月面不同位置对敏感器的反射特性，并寻找到不同颜色的真石漆分别对应不同月面反射特性，将相应颜色的真石漆喷涂在相应的石英砂表面，由此得到最终的月面地形模拟沙盘。

2.根据权利要求1所述的一种室内软着陆月面地形模拟方法，其特征在于：所述步骤(5)中寻找到不同颜色的真石漆分别对应不同月面反射特性的方法为：

(21)对若干沙盘小样喷涂不同颜色的真石漆，以此改变沙盘表面的反射率大小；真石漆的颜色以接近月表的灰色为主，至少制作浅灰、中灰和深灰三种不同颜色的小样；

(22)将不同谱段的光源和沙盘小样都放置在转台台面上，利用光源对沙盘进行垂直照射，同时根据不同光学敏感器的工作谱段，采用相应的滤波片，利用光功率计进行反射光功率测量，记录得到的反射光功率值；

(23)采用相同谱段的反射率数值已知的标准月面反射靶板重复步骤(22)，并将两次获取的反射光功率数据进行比对，根据比值关系计算当前沙盘小样对于该谱段敏感器的反射率数值；

(24)判断反射率数值是否满足参考值的要求，若不满足，则调整真石漆的颜色深浅直至反射率数值满足要求；调整原则为反射率数值小于参考值时将颜色调浅，反之调深；

(25)重复步骤(21)～(24)，直至找到不同月面区域的、且同时满足不同谱段敏感器反射特性的真石漆颜色为止。