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
【专利说明】
[0001]
技术领域
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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1:条测量光束的距离信息劣丨以及方位角与俯仰角 為，而获得位置矢量刀i = 4 [cos^ cos^ cos典sin玛sm读],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巧!:，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。
[0008] 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
[0009] 作为进一步力未，炒丨处电丁尔现11/_丁电丁3&，兀子尔ijciiL丁兀子〇[0010] 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 平面的相对姿态如下 30度。
[0011] 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。
[0012] 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i条测量光束的距离信息^以及方位角与俯仰角30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。
[0013] 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。
[0014] 作为进一步方案，所述测量光束是波长为905nm的激光。
[0015] 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。
[0016] 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】
[0017] 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】
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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T0F(Time Of Flight)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