一種室內(nèi)軟著陸月面地形模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在實驗室內(nèi)進行月面地形地貌模擬的方法，利用該方法可研制月面模擬沙盤屏以用于軟著陸成像和避障控制技術(shù)的地面試驗驗證。
【背景技術(shù)】
[0002]進入二十一世紀(jì)后，月球作為開展深空探測的前哨站再次成為世界各航天大國爭相研宄的熱點，而月球軟著陸技術(shù)是對月球進行深入研宄的必備技術(shù)。中國是除美國和俄羅斯外第三個實現(xiàn)月球軟著陸的國家。由于月球表面地形較為復(fù)雜且人類對其知之較少，軟著陸的安全性尤其受到關(guān)注。因此，無論是美國、俄羅斯還是中國，都在地面上進行了充分的半實物或者全實物仿真加以驗證。美國Apollo載人登月是通過宇航員目測來規(guī)避障礙，實現(xiàn)安全軟著陸的。Bellman和Matranga為Apollo計劃設(shè)計了一種稱為LLRV(LunarLanding Research Vehicle)的全實物仿真驗證系統(tǒng)，便于宇航員操作試驗器進行室外著陸試驗。該試驗下月面地形的模擬只關(guān)注了月面的地貌特征。日本的月球軟著陸計劃一一“月神”(SELenological and Engineering Explorer，SELENE)同樣米用了一個全實物的飛行驗證平臺(Fly Test Bed, FTB)來對GNC算法和敏感器設(shè)備的功能性能進行驗證。但由于該試驗并沒有驗證成像敏感器的功能性能及平移避障控制策略，因此也沒有研制相應(yīng)的月面模擬沙盤。
[0003]國內(nèi)方面，專利號為ZL200710121319.X，名稱為“月球軟著陸制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制半物理仿真試驗系統(tǒng)”的中國專利提及了一套月面模擬沙盤屏，但該沙盤屏對月面地形的模擬采用了 1:10的縮比方式，且采用較單一的標(biāo)稱幾何體(半球體、圓柱體等)進行地形模擬，難以真實反映月面地形的起伏情況，并且對不同譜段光學(xué)敏感器的反射特性也沒有精確量化，只能進行定性驗證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種在實驗室內(nèi)對月面地形進行模擬的方法，不僅能根據(jù)需求精確模擬月面地形地貌的起伏情況，還能精確模擬月面對不同譜段光學(xué)敏感器的反射特性，可用于月球軟著陸的地面試驗驗證。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種室內(nèi)軟著陸月面地形模擬方法，包括如下步驟:
[0006](I)根據(jù)待著陸的月面地形障礙分布規(guī)律確定需要模擬的月面的面積大小和地形地貌，由此得到待模擬的月面地形草圖，并根據(jù)月面地形草圖得到相應(yīng)的等高線圖；所述的地形地貌包括石塊和月坑的大小、數(shù)量，斜坡的坡度，以及石塊、月坑和斜坡的分布情況；
[0007](2)選取苯板作為月面地形基礎(chǔ)輪廓制作的基礎(chǔ)材料，根據(jù)需要模擬的月面的面積大小，確定苯板的面積，根據(jù)月坑深度和斜坡高度，確定苯板的厚度；
[0008](3)根據(jù)所述等高線圖，利用數(shù)控機床對苯板進行加工切割，使得加工得到的斜坡和月坑均與月面地形草圖相吻合，由此得到沙盤基礎(chǔ)輪廓；同時，單獨用苯板切割出相應(yīng)大小的石塊輪廓，并打磨出石塊的不規(guī)則外形，然后根據(jù)月面地形草圖將苯板制作的石塊粘貼在沙盤基礎(chǔ)輪廓上；
[0009](4)在步驟(3)得到的沙盤基礎(chǔ)輪廓上整體均勻噴涂石英砂，制作出沙盤屏的沙粒質(zhì)感；
[0010](5)確定需要模擬的月面不同位置對敏感器的反射特性，并尋找到不同顏色的真石漆分別對應(yīng)不同月面反射特性，將相應(yīng)顏色的真石漆噴涂在相應(yīng)的石英砂表面，由此得到最終的月面地形模擬沙盤。
[0011]所述步驟(5)中尋找到不同顏色的真石漆分別對應(yīng)不同月面反射特性的方法為:
[0012](21)對若干沙盤小樣噴涂不同顏色的真石漆，以此改變沙盤表面的反射率大??；真石漆的顏色以接近月表的灰色為主，至少制作淺灰、中灰和深灰三種不同顏色的小樣；
[0013](22)將不同譜段的光源和沙盤小樣都放置在轉(zhuǎn)臺臺面上，利用光源對沙盤進行垂直照射，同時根據(jù)不同光學(xué)敏感器的工作譜段，采用相應(yīng)的濾波片，利用光功率計進行反射光功率測量，記錄得到的反射光功率值；
[0014](23)采用相同譜段的反射率數(shù)值已知的標(biāo)準(zhǔn)月面反射靶板重復(fù)步驟(22)，并將兩次獲取的反射光功率數(shù)據(jù)進行比對，根據(jù)比值關(guān)系計算當(dāng)前沙盤小樣對于該譜段敏感器的反射率數(shù)值；
[0015](24)判斷反射率數(shù)值是否滿足參考值的要求，若不滿足，則調(diào)整真石漆的顏色深淺直至反射率數(shù)值滿足要求；調(diào)整原則為反射率數(shù)值小于參考值時將顏色調(diào)淺，反之調(diào)株;
[0016](25)重復(fù)步驟(21)?(24)，直至找到不同月面區(qū)域的、且同時滿足不同譜段敏感器反射特性的真石漆顏色為止。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:傳統(tǒng)沙盤制作主要關(guān)注外形的可觀性，借此直觀的表明所描述的目標(biāo)事物，屬于定性設(shè)計，如建筑沙盤、軍事沙盤等。本發(fā)明方法提出的模擬月面地形的沙盤需要精確的定量設(shè)計，以為著陸導(dǎo)航敏感器的性能測試標(biāo)定提供測量目標(biāo)。因此與傳統(tǒng)沙盤相比，其研制的重點在于如何真實而定量化地模擬月面地形起伏的效果，并模擬出月面對不同譜段敏感器的反射特性。具體說來，其優(yōu)點表現(xiàn)在如下幾個方面:
[0018](I)本發(fā)明方法可精確模擬月面地形對不同譜段光學(xué)敏感器的反射特性，使著陸導(dǎo)航敏感器的工作性能得到較為真實的地面測試標(biāo)定；
[0019](2)本發(fā)明方法可提高月面地形模擬的逼真度和精度，滿足著陸導(dǎo)航敏感器的測量和成像精度要求；
[0020](3)本發(fā)明針對大尺寸月面地形采用模塊化設(shè)計，便于運輸、安裝和月面場景更換，地形模擬的通用性和擴展性好；
[0021](4)利用本發(fā)明方法研制的月面模擬沙盤屏已成功應(yīng)用于我國嫦娥三號軟著陸GNC半物理仿真試驗中，并為我國首次成功落月發(fā)揮了作用。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0023]圖2為本發(fā)明月面石塊數(shù)量累積分布圖；
[0024]圖3為本發(fā)明月坑數(shù)量累積分布圖；
[0025]圖4為本發(fā)明月面斜坡坡度累積分布圖。
【具體實施方式】
[0026]室內(nèi)軟著陸月面地形模擬技術(shù)是月球軟著陸GNC地面驗證的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于此而研制的高仿真月面模擬沙盤屏，需要直接作為新研著陸導(dǎo)航敏感器(具有測距、測速和成像等功能)測量和成像的目標(biāo)。因此，月面模擬沙盤屏模擬得逼真和精確與否，將直接影響新研著陸導(dǎo)航敏感器功能性能地面測試的準(zhǔn)確性，進而影響著陸避障GNC方案和算法地面驗證的效果。
[0027]室內(nèi)軟著陸月面模擬主要解決三方面的問題:一是月面地形地貌模擬的逼真度和精度，二是月面對不同譜段敏感器的反射特性量化模擬，三是大尺寸沙盤屏的研制問題。問題一的解決，主要為著陸導(dǎo)航敏感器、尤其是成像敏感器提供精確的地形數(shù)據(jù)，保證敏感器測距精度。問題二的解決，則為不同譜段(可見光或激光等)敏感器的技術(shù)參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化提供了較為真實的月面環(huán)境。問題三的解決，保證了敏感器測量目標(biāo)的完整性和一致性。
[0028]本發(fā)明所要得到的室內(nèi)月面模擬沙盤屏主要由高密度苯板、高仿真真石漆、超細(xì)石英砂等材料制成。其中，高密度苯板主要用于制作地形基礎(chǔ)輪廓，高仿真真石漆用于月面風(fēng)化巖石效果的基礎(chǔ)模擬，超細(xì)石英砂用于月壤的模擬制作。
[0029]如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖。室內(nèi)月面地形模擬基本方法可描述為“整體設(shè)計一一分層制作一一模塊化安裝三部分。整體設(shè)計主要指整體設(shè)計月面地形藍圖；分層制作包括基礎(chǔ)輪廓、月面障礙物和月壤三層制作；模塊化安裝指的是化整為零進行多模塊現(xiàn)場拼裝。具體方案如下:
[0030](一)藍圖設(shè)計。
[0031]根據(jù)任務(wù)要求整體設(shè)計月面地形，并據(jù)此畫出該地形的等高線圖。該階段分成兩部分:地形設(shè)計和等高線圖設(shè)計。
[0032](I)地形設(shè)計
[0033]地形設(shè)計指的是根據(jù)待著陸的月面地形障礙分布規(guī)律設(shè)計出需要模擬的月面地形地貌，如石塊、坑、斜坡等月面障礙的尺寸、數(shù)量及在模擬地形中的分布情況等，根據(jù)這些要求，設(shè)計出待模擬的月面地形草圖。
[0034]月面地形障礙分布規(guī)律可參見美國NASA的文獻(NASA SP-8023, Lunar SurfaceModels, NASA Space Vehicle Design Criteria Environment)，石塊、月坑和斜坡的累積分布分別如圖2?4所示。
[0035]圖2、圖3和圖4分別給出了不同月面地形上的石塊、月坑和斜坡的累積分布情況。其中，圖2和圖3中的橫坐標(biāo)分別為石塊直徑和月坑直徑的大小，縱坐標(biāo)為相應(yīng)直徑下對應(yīng)的單位面積(每平方米)上的石塊和月坑的個數(shù)。根據(jù)文獻可知，月球上石塊的直徑和高度之比一般為2:1，月坑直徑和深度之比一般為3:1?5:1，因此根據(jù)圖2和圖3即可得到一定高度的石塊或一定深度的月坑對應(yīng)的單位面積的個數(shù)。圖4橫坐標(biāo)為斜坡的基線長度(即斜坡底面長度)，縱坐標(biāo)為相應(yīng)基線長度對應(yīng)的平均坡度大小(單位為度)。三幅圖中，需要說明兩點:一是圖中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)皆為對數(shù)坐標(biāo)，因此其坐標(biāo)中單位長度的分布是不均勻的。二是每幅圖中都有三條曲線，分別對應(yīng)最大情況、一般情況和最小情況，這三種情況又分別對應(yīng)了丘陵地帶、起伏月海和平坦月海三種月面地形。丘陵或山區(qū)地勢較高，因此障礙分布數(shù)量多，危險性大；月海地區(qū)較為平坦，因此障礙分布數(shù)量少，危險性小。
[0036]根據(jù)圖2?圖4表示的三種月面障礙的累積分布規(guī)律、室內(nèi)月面模擬沙盤屏的尺寸以及著陸任務(wù)對危險障礙的識別要求，可以確定石塊和月坑的大小、數(shù)量以及斜坡的坡度。確定的基本思路是:首先根據(jù)著陸任務(wù)對危險障礙的定義和識別要求，確定危險障礙的大??；其次根據(jù)危險障礙的大小和障礙的累積分布規(guī)律(圖2?圖4)，確定危險障礙(最常見的為石塊、月坑和斜坡三種類型)單位面積(或基線)上的分布個數(shù)和斜坡大??；最后，根據(jù)研制的室內(nèi)月面模擬沙盤屏的面積，確定沙盤上應(yīng)設(shè)計的相應(yīng)障礙的數(shù)量。
[0037]以月面石塊為例來說明月面地形設(shè)計過程。
[0038]首先，確認(rèn)石塊的種類。假設(shè)任務(wù)要求識別的石塊高度為20cm，則在高于20cm和低于20cm的石塊當(dāng)中分別選取I?2個典型情況。根據(jù)前面的分析可知:月面上石塊的高度大約是其直徑的一半。因此，可選取石塊的高度包括15Cm、30Cm、40Cm，對應(yīng)石塊直徑分別為 30cm、60cm 和 80cm。
[0039]其次，確認(rèn)石塊的數(shù)量。根據(jù)圖2給出的石塊數(shù)量累計分布，以起伏月海為例，估算15cm、30cm和40cm高度的石塊在每平方米月面上的數(shù)量分別是0.04、0.009和0.006個。再根據(jù)需要研制的月面模擬沙盤屏的尺寸確定最終的石塊個數(shù)。如沙盤屏的尺寸為200平方米，則該沙盤屏上三種類型的石塊數(shù)量可分別確定為8個、2個和I個。
[0040]最后，將障礙在沙盤屏上進行隨機分布，最終得到月面地形草圖。
[0041](2)等高線圖設(shè)計
[0042]根據(jù)步驟(I)中獲得的月面地形草圖，利用AutoCAD等商業(yè)軟件即可畫出待模