CN105091801B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

技术领域

本发明涉及小行星附着探测技术，尤其涉及用于小行星的附着探测敏感器以及附着面平整度的确定方法。

背景技术

根据探测敏感器附着小行星的技术要求，探测器与小行星的相对姿态需要满足一定的要求，使探测器最终以附着机构接触小行星表面，避免太阳能电池帆板及其他机构的损伤，从而保证探测器的安全着陆。

行星着陆探测器通常配备的激光高度计和激光雷达不具备姿态确定功能，而通常与光学导航相机配合使用情况下，星上资源受限，处理速度较慢，而小行星距离地面遥远，传回地面处理同样存在较大的时延。

小行星形状非常不规则，且存在自转，探测敏感器附着阶段时间较短，这些任务性质都决定了探测器必须能够自主快速的解算自身姿态信息以及附着区域平整度。

发明内容

本发明解决的问题是现有的探测敏感器无法快速确定附着敏感探测器与小行星相对距离以及附着区域平整度的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种用于小行星探测的附着探测敏感器。该探测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。

作为进一步方案，所述电子系统还根据所述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、和而获得敏感器与附着平面的相对姿态如下：、、。

作为进一步方案，所述电子系统位于电子舱，光学系统位于光学舱。

作为进一步方案，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。

作为进一步方案，所述光学系统发出的测量光束是波长为905nm的激光。

本发明还公开用于小行星探测的附着区障碍检测方法，该方法包括如下步骤：S1、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；S2、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，附着区无障碍，反之，不在同一平面，附着区有障碍。

作为进一步方案，所述四条测量光束中，相邻测量光束之间的夹角是30度。

作为进一步方案，所述测量光束是波长为905nm的激光。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、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光学测量系统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），再者，通过多台光学测量系统获得距离信息，这样，可以快速确定附着探测敏感器与着陆区的相对距离。

2、本发明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、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。

附图说明

图1是本发明用于小行星探测的附着探测敏感器的原理框图；

图2是本发明用于小行星探测的附着探测敏感器发射四束测量光束及该测量光束间的相对位置关系的示意图；

图3是为探测敏感器测量矢量空间几何关系示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1至图3，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、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。

请继续参阅图1至图3，基于上述技术思路，详细说明本发明用于小行星探测的附着探测敏感器的结构如下：

如图1所示，该用于小行星探测的附着探测敏感器1包括光学系统11和电子系统12。光学系统11由四组光学测量系统组成，每组光学测量系统包括光学部分、发射部分和接收部分，其中，光学部分包括反光镜、滤光片和会聚透镜等；发射部分包括激光器、准直透镜和触发源；接收部分包括探测器和接收机等；这些部分如何相互配合而构成光学系统属于成熟技术，在此不再赘述。所述电子系统12包括温度控制电路、信息处理系统和信息处理中心，信息处理系统处理光学系统11的信息而判断四个测量光束产生的测量点是否在同一平面上，信息处理中心可以实现目标三维信息的处理结果显示，相对姿态显示，工作模式的调整、参数的输入等等。附着探测敏感器对目标探测的方法有两种，一种是非相干探测，也叫脉冲直接探测技术。该探测技术根据激光束往返目标的时间差和光速，计算出目标的距离，通过光束对视场的扫描获得目标的二维点阵图像。另一种方法是相干探测。该方法中，发射机将连续激光调制后发射出去，同时采用分光器将一部分光送至接收机作为本振信号，当有目标回波信号到接收机时，光电探测器输出的光电流包含了光电混频分量。对接收机的信号进行解调提取目标的距离信息，并得到目标的纵向和和横向尺寸，通过积累合成目标图像。基于相干探测的激光雷达系统结构复杂、技术要求高。由于太空背景噪声和环境相对于地面比较简单，目前国外较为成熟并已投入使用的激光雷达均采用基于TOF(Time OfFlight)原理的非相干体制。本发明采用非相干探测体制，以激光器为光源，四波束探测的方法实现视场内目标的跟踪、测距、测速和测角等功能。另外，激光波长的选取主要考虑激光雷达的应用领域、激光在传播介质中衰减、目标对不同波长激光反射、吸收特性以及背景光噪声等方面。在小行星探测任务中，太阳光的背景噪声和目标吸收特性是选择激光器波长的首要考虑因素。为了在相同的激光器发射能量的前提下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。

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。

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，该距离信息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。

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，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，也就是。当时，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。

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。

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。

Claims (5)

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i条测量光束的距离信息d_i以及方位角与俯仰角θ_i，φ_i而获得位置矢量n_i＝d_i[cosφ_icosθ_i cosφ_isinθ_i sinφ_i]，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n_Fi，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的关系，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；

所述电子系统还根据所述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n_x、n_y和n_z而获得探测敏感器与附着平面的相对姿态如下：

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；

所述光学系统发出的测量光束是波长为905nm的激光。

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：所述电子系统位于电子舱，光学系统位于光学舱。

3.用于小行星探测的附着区障碍检测方法，所述检测方法使用如权利要求1所述的用于小行星探测的附着探测敏感器，其特征在于：该方法包括如下步骤：

S1、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；

S2、根据第i条测量光束的距离信息d_i以及方位角与俯仰角θ_i，φ_i而获得位置矢量n_i＝d_i[cosφ_icosθ_i cosφ_isinθ_i sinφ_i]，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n_Fi，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的关系，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。

4.如权利要求3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，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3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。