火星著陸器降落相機參數(shù)設(shè)計

王海濤 黃巧林 蔣萬松

(北京空間機電研究所,北京100076)

1 引言

降落相機是著陸器在降落過程中獲取降落圖像的主要傳感器,美國“勇氣號”、“機遇號”和“鳳凰號”等火星探測器都搭載了降落相機,并在其中發(fā)揮了很大的作用。目前,國內(nèi)用于火星探測的降落相機仍然處于起步階段,相關(guān)工程實踐還很少。國外降落相機設(shè)計具有一定的前瞻性,可為我國降落相機的研制提供參考。

對于當前已有的火星探測器來說,降落相機是DIMES(Descent Image Motion Estimation System)系統(tǒng)的主要傳感器之一[1],降落相機的主要功能是獲取DIMES為計算著陸器的水平速度和垂直速度所需要的降落圖像。而本文則對降落相機的功能進行了重新設(shè)計,并根據(jù)設(shè)計的功能分析了降落相機的工作過程,然后設(shè)計了降落相機的部分參數(shù)。

2 降落相機功能設(shè)計及工作過程分析

2.1 降落相機功能

降落相機的主要功能是拍攝計算著陸器水平速度和垂直速度所需圖像,“勇氣號”搭載的降落相機在降落過程中一共拍了3張圖片,拍圖片時著陸器的高度分別是1 983m、1 706m和1 433m,通過這3張降落圖像之間的內(nèi)部牽制關(guān)系可以估算出降落過程中著陸器的水平速度和垂直速度[2]。隨著深空探測的進一步發(fā)展,著陸在火星表面進行實地考察是必然趨勢,為安全著陸在火星表面,著陸器必須具有障礙識別和自主選擇著陸點功能。而降落相機本身就是在著陸器降落動態(tài)過程中對著陸點地形地貌成像探測的主要手段,所以有必要重新設(shè)計降落相機的功能。本文設(shè)計的降落相機具備以下功能:

1)通過對在降落過程中拍攝的圖像進行處理計算來獲取著陸器水平速度,這項技術(shù)已經(jīng)在火星探測的實際工程中得到應(yīng)用。

2)獲取著陸器降落過程中各個高度時降落區(qū)域的火星地形地貌圖像,對火星表面的地形地貌圖像進行存儲和分析處理,得到地形地貌包括坡度坡向、石頭、隕石坑等的實時信息[3]。并根據(jù)圖像處理的結(jié)果,提供出備選的安全著陸區(qū)。

2.2 降落相機工作過程

重新設(shè)計降落相機功能之后,降落相機的工作距離和工作時間都會有所變化,本文設(shè)計的降落相機安裝在著陸器底部,在拋棄隔熱板之后(大約12km),降落相機就開始工作,結(jié)合火星探測器著陸過程,參考“鳳凰號”火星著陸器彈道數(shù)據(jù)[4],本文對降落相機工作過程進行設(shè)計。

降落相機工作分為兩個階段:降落傘階段和反推火箭階段,在這兩個階段,降落相機的幀頻、獲取降落圖像數(shù)量、積分時間等參數(shù)都不同。

1)降落傘階段。從拋棄隔熱板到著陸器分離[5],高度范圍是11.3km～940m,持續(xù)時間為61s,隔熱板拋棄時著陸器的彈道傾角為-40.5°,此時著陸器速度為115m/s,水平速度87.45m/s,垂直速度74.69m/s。著陸器分離時著陸器的彈道傾角為-75.7°,此時著陸器速度為56m/s,水平速度為13.83m/s,垂直速度為54m/s。在降落傘階段,著陸器彈道傾角變換較大,本文設(shè)定降落相機每0.5s獲取一幅落圖像,由于降落相機的積分時間是ms級,所以進行障礙識別和安全著陸區(qū)選擇的時間大約有0.5s,對于降落相機進行障礙識別和著陸區(qū)選擇等各項功能實現(xiàn)已經(jīng)足夠。在大約2 000m高度時,降落相機的速度測量系統(tǒng)開始利用獲取的降落圖像來計算著陸器的水平速度和垂直速度,測速系統(tǒng)工作高度范圍是2 000～51m,計算出著陸器任意時刻的速度信息,并送與著陸器導航系統(tǒng)。

2)反推火箭階段。從著陸器分離到常速度階段,高度范圍是940～51m,“鳳凰號”著陸器在常速度階段的速度為8m/s,可以認為水平速度為8m/s,垂直速度為0。本文設(shè)計降落相機具有障礙識別和著陸區(qū)選擇的功能,實現(xiàn)這些功能降落相機需要一些計算時間,所以要對整個反推火箭階段的水平速度和垂直速度進行限制。本文設(shè)定在常速度階段著陸器的水平速度控制在3m/s以內(nèi)。

從降落相機開始工作一直到100m高度整個過程,降落相機的障礙識別和著陸點選擇系統(tǒng)對每一幅降落圖像進行障礙識別,在降落傘階段,障礙識別和著陸點選擇系統(tǒng)首先識別出體積較大的障礙物,同時選擇幾個相對比較安全的著陸區(qū),并將信息送與著陸器的著陸導航系統(tǒng)以避開這些障礙,在反推火箭階段,降落相機分辨率較高,障礙識別和著陸點選擇系統(tǒng)能夠識別出更小的障礙和更加安全的著陸區(qū),同樣將這些信息送與著陸導航系統(tǒng)。在200m高度時,降落相機已經(jīng)能夠識別出最小的能夠?qū)χ懫靼踩憳?gòu)成威脅的障礙物,著陸導航系統(tǒng)接收到準確的障礙信息和備選的安全著陸點,從而實現(xiàn)安全著陸。其工作過程如圖1所示。

圖1 降落相機工作過程

2.3 本文設(shè)計降落相機功能對降落相機性能參數(shù)的影響

本文設(shè)計的降落相機功能較目前已使用的降落相機有較大變化,其工作距離、工作時間和性能參數(shù)等都會發(fā)生改變。

1)工作距離?！坝職馓枴苯德湎鄼C從約2km高度開始工作,功能擴展后的降落相機工作距離約為12km～0.1km。

2)工作時間?！坝職馓枴苯德湎鄼C工作時間較短,僅僅是在大約2 000m高度時開始拍攝計算著陸器水平速度和垂直速度所需的3張降落圖像,功能變化后的降落相機工作時間從隔熱板拋棄之后開始,直到大約距離火星表面100m時工作結(jié)束。

3)功能?！坝職馓枴苯德湎鄼C功能就是拍攝獲取著陸器水平速度和垂直速度的降落圖像;本文設(shè)計降落相機的功能有測速、障礙識別、安全著陸點選擇等。

由于工作距離、工作時間和相機功能的變化,降落相機的諸多參數(shù)包括景深、焦距、視場角、幀頻、積分時間、F數(shù)等也都需要重新設(shè)計。

3 降落相機參數(shù)設(shè)計

本文將根據(jù)降落相機應(yīng)用的火星環(huán)境和新的功能要求設(shè)計降落相機部分參數(shù)。

3.1 降落相機工作環(huán)境及特點

3.1.1 工作環(huán)境

火星大氣的主要成分是CO2,按體積計算占總量的95%;其次是N2,占2.7%;再次是Ar,占1.6%。大氣的次要成分有O2、CO、H2O 、Ne、Kr、Xe和O3,此外還有微量的原子氧、原子氫和H2O2,這些成分與地球的平流層非常近似。

火星面貌與月球高地非常相似,到處都是古老的、非常密集的撞擊坑地形,并分布有無數(shù)網(wǎng)格狀的河谷系統(tǒng)?；鹦潜砻嫫皆卣饕话惚憩F(xiàn)為荒涼的沙漠、連綿不斷的丘陵和洼地?；鹦潜砻娌紳M大量的礫石、隕石坑等。火星大氣中有大量的浮塵,其主要特點是具有很強的侵入性、對器械的磨損和吸附性。火星浮塵的侵入性取決于浮塵顆粒的大小、硬度和形狀,浮塵顆粒對著陸器械會有很大的磨損,嚴重影響其氣密性;吸附在光學儀器上會影響其正常工作。而且,浮塵聚集在一起也會產(chǎn)生大量的靜電,這對著陸器的電子元器件有很大的損傷。

3.1.2 特點

降落相機是高性能、微小型化光學成像探測設(shè)備,一般安裝在著陸器底部,可以實現(xiàn)著陸器在降落過程中獲取星體表面地形地貌高分辨率圖像的科學目標。深空探測對著陸器的質(zhì)量和有效載荷有很大的限制,考慮到著陸器的總體要求,降落相機具有以下特點:

1)體積小,質(zhì)量輕。“羅塞塔號(Rosetta)”體積為90mm×63mm×86mm,質(zhì)量為400g。本文設(shè)計的降落相機盡管在功能上較目前已用的降落相機多,但為減小著陸器的載荷,本文設(shè)計的降落相機在體積上要求越小越好。

2)視場角大。為保證降落相機在著陸器降落過程中抖動、晃動等不穩(wěn)定情況下能夠正常工作,本文設(shè)計降落相機的視場角為60°,而“鳳凰號”降落相機視場角是66°。

3)工作距離變化較大。從大約12km高度時開始工作,一直到大約100m高度,“勇氣號”降落相機工作距離大約是2～1.2km。

4)實時性特點。降落相機要實時獲取著陸區(qū)地形信息,實時識別著陸區(qū)障礙。實時選擇安全著陸點。

3.2 性能參數(shù)選擇

根據(jù)火星大氣成分,而且著陸器一般在白天著陸,所以本文選擇大氣窗口為0.4～1.1μ m。降落相機本身有體積小、質(zhì)量輕的特點,探測器選擇面陣CMOS探測器,因為CMOS探測器在集成度、功耗和體積上都較CCD探測器高。在作用距離為2km時,做到像元分辨率為0.8m;作用距離為200m時,做到像元分辨率為8cm,因為小于直徑8cm的石頭或者隕石坑不會對著陸器安全構(gòu)成著陸威脅[5]。根據(jù)火星大氣的成分和著陸要求,降落相機具體設(shè)計參數(shù)如表1所示,積分時間和幀頻的選擇對于降落相機成像至關(guān)重要,本文將對其進行詳細分析。

表1 降落相機參數(shù)

3.2.1 幀頻的確定

降落相機在降落過程中成像,物距一直在變化,在降落傘階段和反推火箭階段的水平速度和垂直速度是計算幀頻的基礎(chǔ)。假設(shè)著陸器做勻減速運動,根據(jù)降落相機的參數(shù)(表1),結(jié)合“鳳凰號”火星著陸器飛行數(shù)據(jù),在降落傘階段和反推火箭階段降落相機速度和覆蓋范圍及分辨率計算結(jié)果如表2所示:

表2 降落相機兩個工作階段相關(guān)數(shù)據(jù)

在反推火箭階段,降落相機距離火星表面相對較近,如果速度過快,降落相機沒有足夠的積分時間獲取足夠的能量,造成降落圖像像質(zhì)下降,要獲取足夠能量可能對圖像造成拖影,不利于著陸區(qū)障礙信息提取,所以在反推火箭階段要控制著陸器的水平速度和垂直速度在一定的范圍內(nèi):在100m高度,降落相機的水平速度必須控制在6m/s以內(nèi),垂直速度必須控制在11m/s以內(nèi)。

為實現(xiàn)降落相機的選擇安全著陸區(qū)和定位著陸器的準確位置的功能,降落圖像應(yīng)有一定的連續(xù)性和相關(guān)性,本文用嵌入率衡量,嵌入率是指后一幅圖像和前一幅圖像重疊面積與覆蓋面積較大的圖像面積的比值。

根據(jù)表2數(shù)據(jù),本文假設(shè):

1)用于避障的最后一幅降落圖像拍攝高度為100m,此時地面分辨率為3.94cm;

2)100m高度時,著陸器水平速度可以控制在6m/s內(nèi),為降落相機整體參數(shù)設(shè)計有一定的冗余度,假設(shè)垂直速度控制在20m/s內(nèi)。

根據(jù)積分時間內(nèi),運動造成像移小于0.3個像元則不影響圖像品質(zhì)的經(jīng)驗,根據(jù)前一幀后一幀之間的關(guān)系,如圖2所示,經(jīng)計算得到幀頻的比較如表3所示。

圖2 前一幀圖像后一幀圖像之間關(guān)系

圖2中,第一、第三兩個“×”號之間的長度代表前一幀圖像對應(yīng)的地面長度,第二、第四兩個“×”號之間的長度代表后一幀圖像對應(yīng)的地面長度,第一、第二兩個“×”號之間的長度代表水平允許移動的距離。

表3 940m高度時嵌入率同幀頻的關(guān)系

表4 100m高度時嵌入率同幀頻的關(guān)系

在同等速度條件下,需優(yōu)先考慮近地面時對相機幀頻的約束[6],在高度較高時的幀頻比高度較低時幀頻要小的多,比較表3和4數(shù)據(jù),選擇嵌入率為1∶1.2,幀頻選擇為3.12(幀?s-1)。

3.2.2 積分時間的確定

在積分時間內(nèi)的水平和垂直運動,會引起成像品質(zhì)的下降,反過來,這兩種運動也約束了相機積分時間的確定。因此,積分時間的確定主要由以下幾個因素共同確定:

1)水平運動引起的像移量:在積分時間內(nèi)的像移會引起圖像的模糊,依據(jù)經(jīng)驗,像移小于0.3個像元時,對成像品質(zhì)影響不大,這種模糊可采用傳函下降來描述:

2)垂直運動引起的地面分辨率的變化量:在相機曝光期間由于著陸器的下降會引起地面分辨率的下降,這樣也會使圖像變得模糊,這里采用邊緣中心像元產(chǎn)生的模糊來評判圖像品質(zhì)的下降,位置如圖3和圖4所示。

圖3 高度變化同成像面積的關(guān)系

圖4 垂直運動對成像的影響

這里同樣采用像移傳函來描述圖像模糊:

降落圖像都是在降落運動過程中獲得的,分別考慮水平速度和垂直速度對降落相機成像的影響,具體分析如下:

“鳳凰號”火星著陸器飛行數(shù)據(jù)在文獻[4]中有詳細介紹,根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知,著陸器距離火星表面11.3km時,著陸器拋棄隔熱板,垂直速度是74.69m/s,水平速度是87.45m/s;著陸器分離高度大約是940m,此時著陸器水平速度大約13.83m/s,垂直速度大約是54m/s,同樣假設(shè)著陸器的降落過程是勻減速運動,則像移為0.3像元所對應(yīng)的最大積分時間如表5:

表5 水平速度對積分時間的限制

降落相機開始工作之后的降落過程中,根據(jù)表2中關(guān)于速度的估計,在降落傘階段的最大垂直速度不超過80m/s,垂直降落產(chǎn)生的邊緣像移0.3像元所對應(yīng)的最大積分時間如表6:

表6 垂直速度對積分時間的限制

在940～51m反推火箭階段,反推火箭主要工作是減小著陸器的速度,并推動著陸器向安全的著陸區(qū)運動,根據(jù)表2中速度估計,像移為0.3像元所對應(yīng)的積分時間如表7、表8:

表7 水平速度對積分時間的限制

表8 垂直速度對積分時間的限制

比較表5～8數(shù)據(jù),尤其是表中黑斜體部分數(shù)據(jù),我們得知在降落傘階段允許的最大積分時間是3ms,在反推火箭階段,最大允許積分時間是2.1ms,經(jīng)過權(quán)衡比較,降落相機積分時間應(yīng)不大于2.1ms。

4 結(jié)束語

本文主要設(shè)計了降落相機的功能和工作過程,在功能上,本文設(shè)計的降落相機較“勇氣號”、“鳳凰號”等降落相機增加了障礙識別和著陸點選擇功能;在工作過程上,本文設(shè)計的降落相機較“勇氣號”、“鳳凰號”降落相機在工作高度、工作時間都有較大區(qū)別。最后,根據(jù)降落相機功能要求和所應(yīng)用的火星環(huán)境要求,參考“鳳凰號”彈道飛行數(shù)據(jù),本文對降落相機的幀頻、積分時間等參數(shù)進行了設(shè)計計算,計算結(jié)果表明:降落相機的幀頻、積分時間都隨高度、水平速度和垂直速度的變化而變化。所以,本文的計算結(jié)果并不對所有火星探測器降落相機適用,不同的彈道有不同的飛行數(shù)據(jù),但是其計算方法卻有普適性。

但是,降落相機設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程,不僅要考慮到降落相機工作過程,還要充分分析降落相機的應(yīng)用環(huán)境、星體表面不同時間段的反射率變化、CMOS芯片的輸出信號大小與反射率和F數(shù)以及不同的積分時間之間的關(guān)系約束,要結(jié)合總體要求和相機總體載荷以及各參數(shù)之間的約束綜合選擇降落相機的各項參數(shù)。

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