嫦娥四号探测器着陆区精确选择与评价系统设计
赵洋;李飞;吴波;杨眉
【摘要】Inthispaper,themajorlandingsitesoflargeareasarelected
accordingtothescien—tificrequirementsandimplementation
ctproperlandingsiteforChang’e—4onthefarsideof
themoon,thescientificrequirements,constraintsforimplementation,as
wellaslunarenvironmentandtopography,beentakeninto
artopographyfeaturesaremainlycompridof
surfaceslopes,craterdensities,rockabundancesandtheocclusionstothe
sun,whichmainlyinfluencethepowered—descendingprocess,landing
,badontheremote
nsingandsurveyresultsofthelandingsites,themajorterrainfeatures
nfuzzyrea—soningmethod,the
landingsiteevaluationandlectionfuzzymodelaretuptoprecily
y,accordingtotheactualdescendingprocess
andlandingsitelectionofChang’e—4,thelectionmodelandmethod
hodscanbenefit
futuremissionsofsoftlandingoncelestialbodies.%根据主要的科学探测目标
和工程约束条件筛选出了适宜嫦娥四号任务着陆的大范围区域.嫦娥四号探测器的
着陆区选择需要兼顾科学探测目标、工程实现的约束以及着陆区的环境、表面特征
等等.其中,着陆区的表面特征主要包括坡度、撞击坑及岩石丰度、地形对光照遮挡
情况等,直接影响了动力下降过程、着陆安全及月球巡视器的车体移动能力,也是影
响着陆区选择的重要因素.基于已有的着陆区遥感测绘数据,对着陆区范围内的关键
地形进行了统计分析.并通过模糊推理,建立并应用了着陆区选择及评价模型,在大范
围着陆区域中精确筛选出了小范围的着陆区.最后,根据嫦娥四号任务实际在轨飞行
过程,对该方法进行了验证.文章所使用的地形确定及筛选方法,可以为后续地外天体
软着陆探测任务提供借鉴.
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2019(028)004
【总页数】9页(P22-30)
【关键词】嫦娥四号探测器;月球背面;着陆区筛选;地形地貌;模糊推理;着陆区评价
及筛选模糊模型
【作者】赵洋;李飞;吴波;杨眉
【作者单位】北京空间飞行器总体设计部,北京100094;北京空间飞行器总体设计
部,北京100094;香港理工大学地理信息学院,中国香港;北京空间飞行器总体设计部,
北京100094
【正文语种】中文
【中图分类】V423.6
月球背面南极艾特肯盆地(South-PoleAitkenBasin,SPA)是太阳系中最古老、
规模第二大的撞击盆地,具有极高的科学研究价值。由于艾特肯盆地位于月球背面,
其特殊的空间位置,使其在地月系形成与演化研究、宇宙低频射电观测等方面具有
月球正面所不可比拟的独特优势,是月球科学家梦寐以求的理想探测目标[1]。
而艾特肯盆地地形崎岖,遍布着大量的撞击坑和山峰,平均地势高差最大可达到
15km左右,月球探测器着陆安全面临着艰巨挑战。同时由于地势高差较大,导
致着陆后可能存在对光照及于月球中继星的测控链路遮挡的风险,对月球探测器的
月面可靠生存也产生了较大影响,因此选择能够保证着陆安全和可靠生存的着陆区
至关重要。
本文根据当前有限的月球遥感探测数据,综合考虑地形坡度、撞击坑、石块分布以
及地势遮挡等因素,结合模糊算法,建立了着陆区评价及筛选模糊模型(Landing
SiteEvaluationandSelectionBadonFuzzyModel,LESFM),在月球背面南
极艾特肯盆地中筛选出了能够保障探测器着陆安全和可靠月面生存的着陆区。最后
结合嫦娥四号探测器实际着陆区的环境比较分析结果,评价了着陆区精确选择方法
的可行性。
1嫦娥四号着陆区选择约束条件
1.1科学探测需求约束
嫦娥四号任务的科学目标为:①低频射电天文观测与研究;②着陆区地质特征探测
与研究;③月球背面月表环境探测与研究。SPA的范围是从月球的南极延伸到直
径135km的Aitken月坑,是太阳系中已经识别的规模第二大的撞击盆地,探测
SPA盆地具有较高的科学价值和意义[2-5]。
深部月壳和月幔成分是当今月球科学研究的关键问题之一,对于了解月球形成初期
的分异作用,探究月球的二分性(即月球正面和背面的地形地貌、结构、物质成分、
月壳厚度的分布等具有的明显差异)的成因具有重要意义。但是,目前尚无法通过
遥感手段直接获得准确的深部月壳和月幔的成分,也未采集到月球深部的岩石样品。
SPA盆地是最有可能挖掘出月幔物质的盆地,其峰环、盆地内以及溅射毯的撞击
熔融层及撞击熔融角砾岩都是很好的月幔物质取样区。虽然挖掘出的月幔物质可能
被月壤及玄武岩覆盖,但后期形成的撞击坑又可重新将较新鲜的月幔物质暴露出来。
因此,SPA盆地是探测和研究深部月壳及月幔物质的理想区域[6],如图1所示。
经过分析比较,SPA中的智海(IngeniiBasin)、阿波罗盆地(ApolloBasin)、冯·卡
门撞击坑(VonKármán)和克里蒂安(Christian)撞击坑存在较高的科学探测价值,
可作为着陆区的候选区域。
图1SPA科学目标筛选着陆区Fig.1SPAtargetedlandingsitelectedfor
scientificstudy
1.2工程约束分析
在满足科学探测需求,即位于SPA内的前提下,从工程可实现性角度选择着陆区,
应遵循以下原则。
1)确保着陆、巡视移动过程安全
(1)目标着陆区地形平坦,大基线的坡度(水平方向距离1km以上)。主要影响飞行
过程安全性,如动力下降过程的控制、推进剂的消耗以及微波测距测速敏感器的回
波强度。小基线的坡度(水平方向距离2~10m)主要影响着陆器接触月球表面时的
稳定性、着陆缓冲机构的缓冲能力、巡视器的越障能力等。因此,综合考虑到着陆
及巡视、移动过程的安全性,要求着陆区的地形平均坡度不能大于5°。
(2)目标着陆区在轨道可达范围内。着陆器的动力下降采用的是98°倾角的轨道,
在月球近月点附近,距月面15km左右的位置上进行降轨着陆,因此需要考虑下
降航迹覆盖的范围确定着陆区。同时考虑具备推迟一天着陆的故障应急处理能力,
每推迟一天着陆,器下点向西变化约13°。
2)确保测控链路全时段可见
在SPA着陆区内,着陆器、巡视器的全向天线对月球中继星的前返向链路全时段
可见,是保证着陆器、巡视器安全工作的前提。嫦娥四号中继卫星运行在位于地月
L2平动点的Halo轨道,中继卫星轨道幅值:X向约±1.25×104km,Y向约
±3.7×104km,Z向约±1.3×104km,星下点轨迹在月面覆盖范围为140°W~
140°E,20°S~20°N。因此,根据中继星轨道设计的结果,为确保着陆器、巡视
器对中继卫星全向的前、返向链路全时段可见,应选择着陆区尽量靠近经度
180°E±19°范围内。
3)保证月面长期安全工作
充分考虑热控、电源的适应能力,确保可以长期工作,着陆区纬度应在40°S~
55°S范围内。
根据上述筛选原则,在SPA中选择以纬度范围±0.5°,经度范围±1.2°的矩形区域
为目标着陆区,考虑具备推迟一天着陆的在轨故障预案,选择经度方向间隔约13°
的主备两个着陆区(分别位于冯·卡门撞击坑和克里蒂安撞击坑内),如图2所示,下
面对遴选的着陆区进一步开展基于数字地形的数据进行详细建模分析,采用评价模
型筛选出最终的目标着陆区。
图2主备着陆区选择示意图Fig.2Majorandbackuptargetedlandingsites
forlection
2月面数字模型
数字地形模型又称为数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM),其主要原理
是对通过摄影测量技术获得的大量的三维点,利用空间内插的方法得到DEM。
数字正射影像(DigitalOrthophotoMap,DOM)是对遥感影像进行数字微分纠正
和镶嵌后的数字影像,它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。
NASA于2009年6月成功发射了月球勘测轨道器(LunarReconnaissance
Orbiter,LRO)。LRO上载有一个激光测高仪(LunarOrbiterLarAltimeter,
LOLA)、一台广角(Wide-AngleCamera,WAC)和一台窄角(Narrow-Angle
Camera,NAC)两台数字相机,用来收集月球表面地形数据与影像数据[3]。LOLA
数据是目前世界各国月球探测任务所获取的地形数据中精度最高,覆盖最密集的激
光测高数据。LRO在月球正面的定轨精度达到了厘米级,因此相应地通过轨间交
叉点平差处理后,LOLA数据的精度可以达到:在高程方向约为0.5m,平面约为
25m的高精度。LRO的广角相机(WAC)和窄角相机(NAC)分别获取了空间分辨率
为100m和0.5m的月球影像。LRO的LOLA激光测高数据和日本月亮女神影像
测绘数据联合生成了目前精度最高的DEM模型,即SLDEM2015(SELENE-LRO
DigitalElevationModel,releain2015)。根据这一数据进行分析,月球背面
南极艾特肯盆地内的DEM精度可达到50m,DOM精度最高可以达到1m[6]。
中国的嫦娥二号探测器于2010年完成了全月球详细测绘,主要采用2条线阵
CCD的推扫式相机,根据所获取的图像,生成了月球背面南极艾特肯盆地内的
DEM精度可达到50m,DOM精度最高可以达到7m[7]。
嫦娥四号任务所选的着陆区DEM模型如图3所示。
图3SPA所选着陆区DEM三维显示图Fig.3DEMthreedimensiongraphof
SPAtargetedlandingsites
3嫦娥四号着陆区精确选择及评价系统设计
3.1着陆区评价及筛选模型
为实现着陆区关键指标评价及快速筛选,基于模糊数学的方法,设计了LESFM模
型,对着陆区选择的关键因素进行指标量化评估,即:通过对地形地貌、遮挡情况
等关键因素指标进行分解和数学化处理,将筛选规则及约束条件用模糊集表示,并
把这些模糊控制规则以及有关信息(如评价指标等)作为知识存入模糊控制器中,运
用模糊推理方法,完成预选着陆区打分评价及最终筛选,主要包括:确定LESFM
控制器输入、输出语言变量及赋值;确定模糊控制规则;模糊决策;模糊输出变量
解模糊;加权阈值筛选及评价目标着陆区等几个步骤。
3.1.1选定LESFM系统的输入、输出变量
由于本系统存在较多的模糊词来描述输入、输出变量,需要进行适量的选择,若选
择维数过多,系统的规则响应复杂缓慢,维数较低,则系统会使得变量变得粗糙,
导致系统性能变坏。
根据LESFM系统在本文中地形识别的应用需求、参考着陆区地形关键指标的要求,
和成熟的模糊控制系统设计经验,将着陆区地形坡度(s)、撞击坑密度(c)、石块分
布量(r)以及地形遮挡角(q)等关键因素作为输入变量,即选择LESFM系统的输入
变量为:{s,c,r,q}。进一步,将输入变量进行模糊化处理,对应得到坡度、撞击
坑密度、石块分布量、地形遮挡角等参数量化结果(无量纲)为:{S,C,R,Q}。按照
模糊规则完成模糊决策,即经过模糊逻辑推理计算,输出评级决策后的结果
U∈[0,100]。输出变量经过解模糊处理及各指标加权处理后,得到实际决策结果u。
在本文中,输出变量采用评级方式进行划分:u={A,B,C,D,E},即:u={最优
∈[100,80],次优∈(80,60],中∈(60,40],较差∈(40,20],最差∈(20,0]},如图
4所示。
图4基于LESFM模型评价及筛选地形过程示意图Fig.4Targetedlandingsite
lectionbadonLESFM
3.1.2LESFM的变量子集及隶属度函数确定
采用Mamdani模糊化方法,将输入精确量的波动区间映射到新的论域间,新的
论域均由三个词集组成,即每个模糊变量对应各自的模糊子集,如,在对坡度变量
s进行设置时,选择该参数对应的模糊子集为:s={Down,Even,Steep},分别代
表:{低坡度(负),零,高坡度(正)}。
根据3.1.1节的设计,在各输入变量确定后,相应得到输入、输出变量及其模糊子
集对应关系为:
确定模糊子集隶属度函数曲线形状,将确定的隶属度函数曲线离散化,得到有限个
点上的隶属度,从而形成输入变量的模糊子集。本文在选择模糊输入变量的模糊隶
属度函数时,采用分辨率较高的线性分布函数,选择模糊输出变量隶属度函数时,
采用带宽较大的高斯分布函数。
3.1.3制定LESFM模糊规则
模糊规则不同于传统的二值逻辑推理,是通过模拟人类推理思维,以模糊逻辑为基
础,经过适当的模糊推理,是实现输入-输出变量映射关系的方法,也是一种基于
知识库的不确定推理方法。模糊规则的制定过程就是建立模糊知识库的过程。通常
模糊规则以实际的工程经验进行确定,控制规则数目要求能够完整覆盖输入-输出
变量,同时要适当精简,并能够反映被控对象的特性。因此,本文的模糊控制规则
选择工程应用经验最丰富的Mamdani方法进行模糊推理。对应的模糊规则如图5
所示。
图5模糊规则设计Fig.5FuzzyruledesignforLESFM
3.2基于模糊模型的着陆区评估及精确筛选
基于LESFM的着陆区评估及筛选方法主要包括目标着陆区详细划分、LESFM建
模及计算、着陆区评估及筛选3个步骤。
3.2.1着陆区划分
按照1.2节的工程约束条件,以主着陆区为例,在着陆区从左上角点(176.4°E,
45°S)起,自西向东,以2km为步长,以着陆轨道倾角为矩形区域的倾斜角,对
着陆区进行划分,共获得了25个10km×30km的子区域,各子区域编号从西至
东依次按顺序标记为S1~S25,如图6所示。
图6着陆区(主)目标区域详细划分Fig.6Detaileddivisionofmajortargeted
landingsite
3.2.2着陆区地形统计分析及LESFM建模
1)着陆区坡度分布统计情况
根据主着陆区SLDEM2015的DEM数据,生成坡度统计结果(最大值、平均值、
标准差,最小值为0)如图7所示。
图7主着陆区坡度统计结果Fig.7Statisticalresultsofmajortargetedlanding
site
2)着陆区撞击坑密度统计情况
根据主着陆区LRONAC成像生成的1m分辨率的DOM数据,采用机器学习方
法提取撞击坑,再经过人工筛查,得到了撞击坑分布统计结果(每10km2面积内
撞击坑最大值、最小值、平均值、标准差)如图8所示,提取的撞击坑直径范围
14~1581m。
图8主着陆区撞击坑统计结果Fig.8Statisticalresultsofcraterdistributionin
majortargetedlandingsite
3)着陆区石块丰度统计情况
根据主着陆区LRONAC成像生成的1m分辨率的DOM数据,采用机器学习方
法提取石块,再经过人工筛查,得到了石块分布统计结果(每10m×100m区域内
石块数量最大值、平均值、标准差,最小值为0)如图9所示,提取的石块直径范
围1.23~32.52m。再根据石块数量,得到各子区域单位面积上石块数量的石块
丰度:丰度=石块总数/子区域面积×100%。
图9主着陆区石块统计结果Fig.9Statisticalresultsofrockdistributionin
majortargetedlandingsite
4)着陆区光照遮挡统计情况
根据主着陆区SLDEM2015的DEM数据,计算各特征点360°范围内最大遮挡角,
再结合太阳星历,统计各特征点太阳高度角低于地形遮挡的方位个数,得到光照遮
挡统计结果(太阳通视遮挡方位个数最大值、平均值、标准差,最小值为0)如图10
所示。
图10主着陆区光照遮挡方位统计结果Fig.10Statisticalresultsofsunlight
occlusioninmajortargetedlandingsite
5)着陆区地形统计分析结果统计
根据对坡度、撞击坑密度、石块丰度、光照遮挡情况进行统计,可以得到25个子
区域中:
(1)坡度范围为0°~58°,平均坡度范围为2.2°~2.9°,标准差范围为1.8°~2.8°;
(2)撞击坑数量范围为84~5060个,平均数量为1819~3328个,标准差范围为
307~883个;
(3)石块丰度值范围为0~29.7%,平均丰度值为0~0.12%,标准差范围为
0.07%~0.61%;
(4)光照遮挡方位数量范围为0~114个,平均遮挡方位数量为0.01~0.1,标准差
为0.33~1.47。
3.2.3基于LESFM的着陆区评估及筛选
按照3.1节对LESFM模型建模的描述,首先分别对3.2.2节统计的坡度、撞击坑
密度、石块丰度、光照遮挡方位个数进行归一化处理。经过LESFM模型计算输出
各子区域分级。如表1所示。
根据LESFM系统的评分及筛选结果,可以确定在SPA区域内,中心经度
176.5°E~176.9°E、177.3°E~177.6°E范围内均为理想的着陆区域,根据地形分
析的结果,在这些区域范围内,坡度范围在0°~35°,平均坡度在2.2°~2.5°范围
内;撞击坑数量在84~3500个左右,平均数量≤2500个;石块丰度范围在0~6%
范围内,平均丰度≤0.01%;出现光照遮挡的方位数量范围在0~40个,平均遮挡
方位数量在0.01~0.05个。说明系统精选出的区域坡度较为平坦、撞击坑密度较
低且分布较为集中、石块丰度较低、光照遮挡出现概率较低,是非常理想的着陆区。
采用同样的方法,在备选着陆区,可以确定出中心经度162.4°E~163.5°E的范围
内是较为理想的着陆区。而在嫦娥四号月面着陆的任务中,只有在动力下降前发生
故障,导致未着陆在主着陆区时,才会采用备份着陆区,于第二天着陆在此区域
[2]。
表1主着陆区的子区域地形指标参数Table1Topographicindexparameters
ofmajortargetedlandingsite目标子区域
S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13中心经度
(°E)176.4176.5176.6176.7176.8176.9177.0177.1177.2177.3177.4177.5177.6
坡度(归一化)0.310.270.240.240.260.200.210.160.190.160.150.370.97撞击坑密
度(归一化)00.050.080.070.070.110.150.260.380.470.480.350.47石块丰度(归一
化)0.990.990.370.370.370.370.370.370.04000.010.02光照遮挡方位个数(归一
化)0.090.090.090.160.160.160.160.160.110.110.110.120.13LESFM子区域评级
结果CBAAABBABBAAB
续表目标子区域S14S15S16S17S18S19S20S21S22S23S24S25—中心经度
(°E)177.7177.8177.9178.0178.1178.2178.3178.4178.5178.6178.7178.8—坡度
(归一化)0.9810.740.480.510.520.4800.270.260.260.25—撞击坑密度(归一
化)0.740.790.820.9110.980.970.900.870.640.520.49—石块丰度(归一
化)0.330.340.380.380.380.380.380.390.270.280.280.28—光照遮挡方位个数(归
一化)0.34111110.090.050.050.0500—LESFM子区域评级结果
CCCDEEEEECBB—
3.3嫦娥四号探测器实际着陆区地形环境
嫦娥四号探测器于2019年1月3日10时14分35秒,开始在预定的动力下降
点点火。经过了约680s的点火时间,嫦娥四号探测器最终着陆在月面177.589°E,
45.456°S的位置,着陆点高度为海拔-5926m。
结合DEM数据分析结果,探测器动力下降航迹下的月面地形高程变化情况如图
11所示,可以看出当地的地势条件十分崎岖,根据测算,该着陆点所在区域坡度
≤5°[8-10]。根据着陆器降落相机在动力下降过程对月成像及着陆月面后,第一个
月昼地形地貌相机环拍的成像结果,可以看出在着陆点附近区域有4个直径在
15~30m的撞击坑(如图12中描红的圆圈),大的撞击坑内遍布小撞击坑,根据
统计计算,在单位面积内撞击坑数量≤600;着陆点附近的石块丰度接近于0%,
石块主要遍布在几个较大的撞击坑坑壁周围,距离着陆点较远;此外,根据太阳星
历和着陆点附近地形遮挡角的关系,分析出着陆点周边地形对太阳光照不存在遮挡,
如图13所示[8-10]。
综上,着陆点的关键地形指标详见表2,与在着陆区精确选择的工作中所分析出的
结果一致,着陆区附近的地形环境能够满足安全着陆、巡视及生存的要求,可以采
用本文涉及的方法对着陆区进行精确选择。
图11动力下降航迹下的月面高程Fig.11Topographicaltitudealongwiththe
descentflighttrack
图12嫦娥四号降落相机着陆成像及地形地貌相机环拍成像Fig.12Descent
imagesandpanoramaimagesonthelandingsiteofChang’e-4
图13嫦娥四号着陆点地形对光照遮挡情况Fig.13Sunlightocclusionaround
thelandingsiteofChang’e-4
表2嫦娥四号着陆点附近的地形参数Table2Topographicparametersof
nearbyareasaroundthelandingsiteofChang’e-4序号关键地形参数参数
值分析值是否和分析结果一致1坡度/(°)≤5≤8一致2撞击坑数量/个≤600≤2500
一致3石块丰度≈0≤0.01%一致4光照遮挡率(遮挡方位/总方位个数)无遮挡
(0)≤0.05一致
4结束语
嫦娥四号探测器成功实现了全人类首次在月球背面软着陆的任务。在任务设计阶段,
根据科学探测需求和工程约束条件,选出了南极艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑和克
里蒂安撞击坑分别作为主选着陆区和备选着陆区。结合现有的着陆区数字地形数据,
进一步对着陆区进行详细划分,结合地形地貌进行分析,包括着陆区内坡度、撞击
坑分布、石块丰度及地形对光照遮挡情况等,确定了着陆区的评价及筛选标准,并
结合模糊数学推理算法,对各子区域进行详细打分评估,筛选出了更精确的着陆范
围。
嫦娥四号任务成功着陆在既定的着陆区,根据所拍摄的图像及测量数据,分析出该
着陆区内的地形地貌环境与分析的结果一致,表明着陆区地形评价及筛选的方法有
效,可以将这一成功经验充分应用到后续地外天体软着陆探测任务中。
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