-
我国深空探测以月球探测工程为突破,先后实现绕月探测、月面软着陆和表面巡视探测;月面采样返回的“嫦娥五号”探测器及火星着陆与巡视探测器也计划于2020年发射。深空探测光学敏感器作为深空探测航天器导航制导与控制系统的关键测量单元,将为圆满完成探测任务承担重要作用。
-
星敏感器是最常用的姿态测量敏感器,通过观测和识别视场内的多颗恒星获取光轴在惯性系的指向,用于航天器惯性姿态确定。随着我国深空探测任务的不断推进,对星敏感器探测能力的要求也越来越高。表1和图3分别是探月工程“嫦娥”系列卫星配置的星敏感器产品及其实物图。
表 1 探月工程“嫦娥”系列卫星星敏感器产品
Table 1. Star sensors in "Chang'e" series satellites of lunar exploration project
Product name "Chang'e-1/-2" medium accuracy star sensor "Chang’e-3/-4" APS star sensor "Chang'e-5" high accuracy & long-period
star sensorLaunch time 2007 2013 2020(plan) Fov/(°) 10×10 20×20 20×20 Accuracy(3σ)/(″) 9 3 3 Limiting magnitude/Mv +5.5 +5.5 +5.5 Dynamic performance/
(°)·s−10.4 0.6 3 Update rate/Hz 4 10 10 Weight/kg 5.2 Head2.5 2.4 Power/W <12 <11 <12 图 3 (a)“嫦娥一/二号”中等精度星敏感器;(b)“嫦娥三/四号”APS星敏感器;(c)“嫦娥五号”小型长寿命星敏感器
Figure 3. (a) "Chang'e-1/-2" medium accuracy star sensor; (b) "Chang'e-3/-4" APS star sensor; (c) "Chang’e-5" high accuracy & long-period star sensor
深空探测星敏感器的光轴指向精度及动态性能等指标均有大幅提升。探测器技术、深度制冷技术、高速星图处理硬件化技术、噪声自适应修正技术、在轨标定等技术的发展也带动了小型化、高精度、高动态等不同系列星敏感器的发展进步。
-
深空探测自主导航光学敏感器,可以通过对行星、小天体、X射线脉冲星等参考目标进行成像,以实现相对定向和自主导航,能够代替地面测控系统用于探测器星际飞行自主导航与目标接近引导。针对不同深空探测任务的具体需要,我国发展了紫外月球敏感器、脉冲星导航敏感器等一系列可用于深空探测的自主导航光学敏感器。
-
利用紫外月球敏感器进行航天器姿态确定是我国探月工程的首创。紫外月球敏感器在“嫦娥一号”、“嫦娥二号”探测器环月过程中对月球表面成像,通过对月球边缘信息进行提取和处理,确定月心矢量。为实现200 km绕月轨道对月球圆盘大范围成像,紫外月球敏感器设计分段式反射成像系统,通过8棱镜外反射面实现8个月球圆盘边缘子视场的复合[10]。对获取的月球影像,采用快速边缘提取算法、晨昏线鉴别算法、月心矢量拟合算法等,实现月心矢量的计算以及探测器的姿态定向。“嫦娥一号”环月飞行期间,紫外月球敏感器成功实现月球捕获,姿态精度优于0.07°,“嫦娥二号”奔月期和环月期间均开展了自主导航离线验证。图4是“嫦娥一号/二号”探测器紫外月球敏感器实物图及其在轨图像。
-
脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线光子作为天然信标,通过探测多颗脉冲星的光子信号到达太阳系质心的时间和到达航天器的时间差,从而确定航天器在太阳系质心坐标系下的位置、速度、时间和姿态等导航参数。我国在脉冲星导航方面虽然起步晚,但已成功发射脉冲星试验卫星,并首次捕获蟹状星云[11]。表2和图5分别是X射线脉冲星导航敏感器的主要技术指标及实物图,2016年成功在轨飞行验证,为后继的深空探测自主导航提供了一条重要技术实现途径。
表 2 X射线脉冲星导航敏感器主要技术指标
Table 2. Main specifications of X-ray pulsar navigation sensor
Specifications Value Energy range/keV 0.5–10 Effective area/cm2 30.1 Time resolution/μs 1 Energy resolution 169 eV@5.9 keV Fov/(′) 15 -
我国“嫦娥三号”探测器于2013年12月14日成功实现月面软着陆,成为世界上第三个掌握月面软着陆技术的国家。2019年1月3日,“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面,成为世界上首个在月球背面实现软着陆的探测器。“嫦娥三号”和“嫦娥四号”着陆探测器在下降过程中创造性地实现了接力避障策略,首先在远距离依靠着陆光学成像敏感器进行粗障碍检测与规避,由着陆光学成像敏感器对预选着陆区地形进行大动态范围成像,利用快速鲁棒图像分割算法、区域安全度评估算法,避开大型撞击坑在成像区域内选择安全着陆区域。悬停段开始,激光三维成像敏感器对正下方着陆区进行精细化高程成像,通过区域地形坡度拟合判断障碍高差,避开小撞击坑和石块选择最平坦着陆区域实现安全软着陆。图6为“嫦娥三号/四号”着陆光学成像敏感器和激光三维成像敏感器。
图 6 (a)“嫦娥三号/四号”着陆光学成像敏感器;(b)“嫦娥三号/四号”激光三维成像敏感器
Figure 6. (a) "Chang'e-3/-4 "landing optical obstacle avoidance sensor; (b) "Chang'e-3/-4" laser 3D imaging sensor
在我国首次火星探测任务中,探测器着陆下降段的视觉测量采用长基线双目视觉系统与激光雷达组合方案。关键产品多功能避障敏感器已先后完成直升机挂飞避障试验、塔架悬停试验,对各类模拟地形能够有效识别障碍,准确定位安全着陆区。
-
“嫦娥三号”和“嫦娥四号”巡视器视觉导航系统配置了一对导航相机和一对避障相机。导航相机安装于巡视器桅杆,可获得月面巡视器四周大范围地形信息,从而为巡视器全局路径规划服务。避障相机位于巡视器车体围栏下方,可获得月面巡视器前方地形信息,为月面巡视器局部障碍识别和规避服务。避障相机与激光点阵器协同工作还可以实现紧急避障。图7是“嫦娥三号/四号”避障相机实物图及其在轨图像。
图 7 (a)“嫦娥三号/四号”巡视器避障相机实物图;(b)在轨图像
Figure 7. (a) Hazard avoidance camera of "Chang'e-3/-4" rover; (b) Image on orbit
在我国首次火星探测任务中,火星车同样配置了导航相机和避障相机用于路径规划和障碍规避。导航相机除了用于全局路径规划外,还将承担科学探测任务,用于对火星表面地形进行立体彩色成像和地形地貌探测,是我国深空探测任务中首个将有效载荷和导航敏感器进行一体化设计的单机产品。表3是我国月球和火星探测任务导航相机与国外同类产品技术指标比对情况[8]。可以看到,我国研制的巡视器导航相机产品在视场、角分辨率、成像范围、功耗、三维恢复精度等方面均与其水平相当。
表 3 国内外月球火星巡视探测导航相机产品
Table 3. Navigation cameras for Luna and Mars rover at home and abroad
Product name NASA MER PanCam NASA MER NavCam China’s Lunar Rover NavCam China’s Mars Rover NavCam Fov/(°) 16×16 45×45 46×46 46.5×46.5 Spectrum range/nm 400–1 000(8 optical filters) 600–800 600–700 400–700 Focal length/mm 43 14.67 17.6 13.1 Entrance pupil diameter/mm 2.18 1.25 1.6 1.31 IFOV/mrad/pixel 0.28 0.82 0.8 0.4
Technical development and application of China deep space exploration optical sensor(Invited)
-
摘要: 光学敏感器是深空探测航天器导航制导与控制系统的关键组成,为航天器平台的稳定运行和有效载荷的科学探测提供指向和位置支持。文章对我国深空探测任务中研制与应用的姿态测量敏感器、自主导航光学敏感器、着陆避障光学敏感器、巡视探测光学敏感器典型产品进行了综述,对其关键技术和发展趋势进行论述。Abstract: Optical sensor is the key component of the navigation guidance and control system in the deep space exploration mission, and it provides direction and location for stable operation of the spacecraft and scientific detection of the payload. The typical products of attitude sensor, autonomous navigation optical sensor, landing and obstacle avoidance optical sensor, patrol detection optical sensor were reviewed, and the key technology and development tendency were discussed.
-
Key words:
- deep space exploration /
- optical sensor /
- typical application /
- development tendency
-
表 1 探月工程“嫦娥”系列卫星星敏感器产品
Table 1. Star sensors in "Chang'e" series satellites of lunar exploration project
Product name "Chang'e-1/-2" medium accuracy star sensor "Chang’e-3/-4" APS star sensor "Chang'e-5" high accuracy & long-period
star sensorLaunch time 2007 2013 2020(plan) Fov/(°) 10×10 20×20 20×20 Accuracy(3σ)/(″) 9 3 3 Limiting magnitude/Mv +5.5 +5.5 +5.5 Dynamic performance/
(°)·s−10.4 0.6 3 Update rate/Hz 4 10 10 Weight/kg 5.2 Head2.5 2.4 Power/W <12 <11 <12 表 2 X射线脉冲星导航敏感器主要技术指标
Table 2. Main specifications of X-ray pulsar navigation sensor
Specifications Value Energy range/keV 0.5–10 Effective area/cm2 30.1 Time resolution/μs 1 Energy resolution 169 eV@5.9 keV Fov/(′) 15 表 3 国内外月球火星巡视探测导航相机产品
Table 3. Navigation cameras for Luna and Mars rover at home and abroad
Product name NASA MER PanCam NASA MER NavCam China’s Lunar Rover NavCam China’s Mars Rover NavCam Fov/(°) 16×16 45×45 46×46 46.5×46.5 Spectrum range/nm 400–1 000(8 optical filters) 600–800 600–700 400–700 Focal length/mm 43 14.67 17.6 13.1 Entrance pupil diameter/mm 2.18 1.25 1.6 1.31 IFOV/mrad/pixel 0.28 0.82 0.8 0.4 -
[1] Lu Xin, Li Chunyan, Li Xiao, et al. Current situation and development trends of starlight navigation technology [J]. Aerospace Control and Application, 2017, 43(4): 1−8. [2] Kordas Joseph F, Lewis Isabella T, Priest Robert E, et al. UV/Visible camera for the clementine mission[C]//SPIE’s 1995 Symposium on OE/Aerospace Sensing and Dual use Photonics, 1995, 2478: 175-186. [3] Soderblom Larry, Beauchamp Pat, G S Chen, et al. Miniature Integrated Camera Spectrometer (MICAS) [C]//Technology Validation Symposium, 2000. [4] James Graf, Richard Zurek, Ross Jones, et al. An overview of the Mars reconnaissance orbiter mission[C]//Aerospace Conference Proceedings, IEEE, 2002,1:1-180. [5] Rizk B, Drouet d'Aubigny C, Golish D, et al. OCAMS: The OSIRIS-REx camera suite [J]. Space Science Reviews, 2018, 214(1): 1−55. doi: 10.1007/s11214-017-0435-8 [6] Yang Cheng, Andrew Johnson, Larry Matthies. MER-DIMES: A planetary landing application of computer vision[C]//Proceedings of the 2005 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 2005,1: 806-813. [7] Tye Brady, Erik Bailey, Timothy Crain, et al. ALHAT system validation[C]// 8th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems, 2011: 1-10. [8] Allan Eisenman, Carl Christian Liebe, Maimone Mark W, et al. Mars exploration rover engineering cameras[C]//Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites V, SPIE, 2001, 4540: 288-297. [9] Maki J, Thiessen D, Pourangi A, et al. The Mars science laboratory engineering cameras [J]. Space Science Reviews, 2012, 170(1−4): 77−93. doi: 10.1007/s11214-012-9882-4 [10] Hao Yuncai, Wang Li. Several critical problems about ultra-violet lunar sensor for lunar exploration mission [J]. Aerospace Control, 2005, 23(1): 87−91. [11] Li Liansheng, Mei Zhiwu, Lv Zhengxin, et al. Overview of the development of X-ray pulsar navigation detection technology [J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2017, 38(5): 1−9.
计量
- 文章访问数: 1235
- HTML全文浏览量: 936
- 被引次数: 0