用于小行星探測的附著探測敏感器及附著區(qū)障礙檢測方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及小行星附著探測技術(shù)，尤其涉及用于小行星的附著探測敏感器以及附 著面平整度的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 根據(jù)探測敏感器附著小行星的技術(shù)要求，探測器與小行星的相對(duì)姿態(tài)需要滿足一 定的要求，使探測器最終以附著機(jī)構(gòu)接觸小行星表面，避免太陽能電池帆板及其他機(jī)構(gòu)的 損傷，從而保證探測器的安全著陸。
[0004] 行星著陸探測器通常配備的激光高度計(jì)和激光雷達(dá)不具備姿態(tài)確定功能，而通常 與光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)配合使用情況下，星上資源受限，處理速度較慢，而小行星距離地面遙遠(yuǎn)， 傳回地面處理同樣存在較大的時(shí)延。
[0005] 小行星形狀非常不規(guī)則，且存在自轉(zhuǎn)，探測敏感器附著階段時(shí)間較短，這些任務(wù)性 質(zhì)都決定了探測器必須能夠自主快速的解算自身姿態(tài)信息以及附著區(qū)域平整度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有的探測敏感器無法快速確定附著敏感探測器與小行星 相對(duì)距離以及附著區(qū)域平整度的問題。
[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于小行星探測的附著探測敏感器。該探測敏 感器包括光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)。所述光學(xué)系統(tǒng)向小行星表面發(fā)射四束方向不同的測量光束 而在小行星表面形成四個(gè)測量點(diǎn)，每三個(gè)測量點(diǎn)不在同一直線上，該光學(xué)系統(tǒng)測量每條測 量光束的距離信息。所述電子系統(tǒng)根據(jù)第1:條測量光束的距離信息劣丨以及方位角與俯仰角 為，而獲得位置矢量刀i = 4 [cos^ cos^ cos典sin瑪sm讀],根據(jù)位置矢量獲得由每三個(gè) 測量點(diǎn)確定的平面的法線在附著探測敏感器本體坐標(biāo)系下的方向矢量巧!:，根據(jù)該方向矢 量獲得每兩個(gè)平面間的平面法向量夾角，判斷平面法向量夾角與預(yù)定值，在每個(gè)平面法向 量夾角均小于預(yù)定值時(shí)，判定所述四個(gè)測量點(diǎn)在同一平面，反之，不在同一平面。
[0008] 作為進(jìn)一步方案，所述電子系統(tǒng)還根據(jù)所述平面法向量而獲得擬合矢量根據(jù) 擬合矢量和附著探測敏感器本體坐標(biāo)系的三軸方向矢量\％和\而獲得敏感器與附著
[0009] 作為進(jìn)一步力未，炒丨處電丁爾現(xiàn)11/_丁電丁3&，兀子爾ijciiL丁兀子〇[0010] 作為進(jìn)一步方案，所述四條測量光束中，測量光束與本體中心軸線之間的夾角是 平面的相對(duì)姿態(tài)如下 30度。
[0011] 作為進(jìn)一步方案，所述光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的測量光束是波長為905nm的激光。
[0012] 本發(fā)明還公開用于小行星探測的附著區(qū)障礙檢測方法，該方法包括如下 步驟：S1、向小行星表面發(fā)射四束方向不同的測量光束而在小行星表面形成四個(gè)測 量點(diǎn)，每三個(gè)測量點(diǎn)不在同一直線上，該光學(xué)系統(tǒng)測量每條測量光束的距離信息； S2、根據(jù)第i條測量光束的距離信息^以及方位角與俯仰角30而獲得位置矢量
根據(jù)位置矢量獲得由每三個(gè)測量點(diǎn)確定的平面的 法線在附著探測敏感器本體坐標(biāo)系下的方向矢量，根據(jù)該方向矢量獲得每兩個(gè)平面間 的平面法向量夾角，判斷平面法向量夾角與預(yù)定值，在每個(gè)平面法向量夾角均小于預(yù)定值 時(shí)，判定所述四個(gè)測量點(diǎn)在同一平面，附著區(qū)無障礙，反之，不在同一平面，附著區(qū)有障礙。
[0013] 作為進(jìn)一步方案，所述四條測量光束中，相鄰測量光束之間的夾角是30度。
[0014] 作為進(jìn)一步方案，所述測量光束是波長為905nm的激光。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明是利用多測量光束測量原理，以固定角度安裝由多臺(tái)光學(xué)測量系統(tǒng)構(gòu)成的光 學(xué)系統(tǒng)測量在安裝方向上附著探測敏感器與附著區(qū)之間的距離，由于光學(xué)系統(tǒng)的各光學(xué)測 量系統(tǒng)安裝的角度信息已知，因此可以獲得附著探測敏感器本體坐標(biāo)系下安裝方向上小天 體(小行星）表面相交點(diǎn)的矢量表示形式；然后，利用任意三個(gè)測距矢量能夠確定附著區(qū)的 法向方向，使用不同的探頭組合就能確定當(dāng)前著陸面的平整度，從而判斷當(dāng)前位置是否適 合著陸(也即附著區(qū)是否有障礙)，再者，通過多臺(tái)光學(xué)測量系統(tǒng)獲得距離信息，這樣，可以 快速確定附著探測敏感器與著陸區(qū)的相對(duì)距離。
[0016] 2、本發(fā)明利用平面法向量而獲得擬合矢量，根據(jù)擬合矢量和附著探測敏感器本體 坐標(biāo)系的三軸方向矢量\和，可以確定目標(biāo)著陸點(diǎn)法向與探測器著陸面法向的相 對(duì)關(guān)系，從而確定探測器與小行星表面的相對(duì)姿態(tài)信息。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明用于小行星探測的附著探測敏感器的原理框圖； 圖2是本發(fā)明用于小行星探測的附著探測敏感器發(fā)射四束測量光束及該測量光束間 的相對(duì)位置關(guān)系的示意圖； 圖3是為探測敏感器測量矢量空間幾何關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成目的及功效，下面將結(jié)合實(shí)施例 并配合附圖予以詳細(xì)說明。
[0019] 請(qǐng)參閱圖1至圖3,本發(fā)明是利用多測量光束測量原理，以固定角度安裝由多臺(tái)激 光測距儀構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)測量在安裝方向上附著探測敏感器與附著區(qū)之間的距離，由于光 學(xué)系統(tǒng)的各光學(xué)測量系統(tǒng)安裝的角度信息已知，因此可以獲得附著探測敏感器本體坐標(biāo)系 下安裝方向上小天體(小行星）表面相交點(diǎn)的矢量表示形式；然后，利用任意三個(gè)測距矢量 能夠確定附著區(qū)的法向方向，使用不同的探頭組合就能確定當(dāng)前著陸面的平整度，從而判 斷當(dāng)前位置是否適合著陸(也即附著區(qū)是否有障礙)。同時(shí)利用平面法向量而獲得擬合矢 量，根據(jù)擬合矢量和附著探測敏感器本體坐標(biāo)系的三軸方向矢量、％和$，可以確定目 標(biāo)著陸點(diǎn)法向與探測器著陸面法向的相對(duì)關(guān)系，從而確定探測器與小行星表面的相對(duì)姿態(tài) 信息。
[0020] 請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1至圖3,基于上述技術(shù)思路，詳細(xì)說明本發(fā)明用于小行星探測的附 著探測敏感器的結(jié)構(gòu)如下： 如圖1所示，該用于小行星探測的附著探測敏感器1包括光學(xué)系統(tǒng)11和電子系統(tǒng)12。 光學(xué)系統(tǒng)11由四組光學(xué)測量系統(tǒng)組成，每組光學(xué)測量系統(tǒng)包括光學(xué)部分、發(fā)射部分和接收 部分，其中，光學(xué)部分包括反光鏡、濾光片和會(huì)聚透鏡等；發(fā)射部分包括激光器、準(zhǔn)直透鏡和 觸發(fā)源；接收部分包括探測器和接收機(jī)等；這些部分如何相互配合而構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)屬于成 熟技術(shù)，在此不再贅述。所述電子系統(tǒng)12包括溫度控制電路、信息處理系統(tǒng)和信息處理中 心，信息處理系統(tǒng)處理光學(xué)系統(tǒng)11的信息而判斷四個(gè)測量光束產(chǎn)生的測量點(diǎn)是否在同一 平面上，信息處理中心可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維信息的處理結(jié)果顯示，相對(duì)姿態(tài)顯示，工作模式的 調(diào)整、參數(shù)的輸入等等。附著探測敏感器對(duì)目標(biāo)探測的方法有兩種，一種是非相干探測，也 叫脈沖直接探測技術(shù)。該探測技術(shù)根據(jù)激光束往返目標(biāo)的時(shí)間差和光速，計(jì)算出目標(biāo)的距 離，通過光束對(duì)視場的掃描獲得目標(biāo)的二維點(diǎn)陣圖像。另一種方法是相干探測。該方法中， 發(fā)射機(jī)將連續(xù)激光調(diào)制后發(fā)射出去，同時(shí)采用分光器將一部分光送至接收機(jī)作為本振信 號(hào)，當(dāng)有目標(biāo)回波信號(hào)到接收機(jī)時(shí)，光電探測器輸出的光電流包含了光電混頻分量。對(duì)接收 機(jī)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)提取目標(biāo)的距離信息，并得到目標(biāo)的縱向和和橫向尺寸，通過積累合成 目標(biāo)圖像?；谙喔商綔y的激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高。由于太空背景噪聲和環(huán) 境相對(duì)于地面比較簡單，目前國外較為成熟并已投入使用的激光雷達(dá)均采用基于T0F(Time Of Flight)原理的非相干體制。本發(fā)明采用非相干探測體制，以激光器為光源，四波束探 測的方法實(shí)現(xiàn)視場內(nèi)目標(biāo)的跟蹤、測距、測速和測角等功能。另外，激光波長的選取主要考 慮激光雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域、激光在傳播介質(zhì)中衰減、目標(biāo)對(duì)不同波長激光反射、吸收特性以及 背景光噪聲等方面。在小行星探測任務(wù)中，太陽光的背景噪聲和目標(biāo)吸收特性是選擇激光 器波長的首要考慮因素。為了在相同的激光器發(fā)射能量的前提下