載人月面著陸地形障礙探測與規(guī)避方案研究

田林 戚發(fā)軔 果琳麗 王平 張有山

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

月球表面有月海和高地兩種典型地形，月海面積占到全月面的約17%。月海和高地中都覆蓋著大小不一、形狀各異的月球坑和月巖，它們和月面坡度一起成為三類主要的月面地形障礙，給載人月面著陸任務(wù)帶來極大危險(xiǎn)[1-3]。月面地形障礙可能引起月面著陸器傾斜角度過大，后續(xù)無法正常起飛返回環(huán)月軌道；如果月面著陸器傾覆，將導(dǎo)致載人登月任務(wù)失敗。著陸過程中月球坑邊緣或月巖有可能與月面著陸器結(jié)構(gòu)碰撞，破碎部件受到著陸發(fā)動(dòng)機(jī)羽流作用后有可能與主結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，嚴(yán)重時(shí)將可能導(dǎo)致月面著陸器功能衰減甚至損毀；著陸在月面崎嶇地形中，航天員或月球車無法順利開展月面考察活動(dòng)，載人登月工程的成效將大打折扣[4-5]。

在缺乏全月面高精度地形圖的情況下，飛行任務(wù)實(shí)施前的著陸選址只能降低月面著陸器遭遇地形障礙的概率，為有效保障載人月面著陸任務(wù)安全并全面提升載人登月任務(wù)成效，必須在著陸過程中實(shí)時(shí)地進(jìn)行地形障礙探測與規(guī)避，并充分發(fā)揮航天員的快速判斷與智能決策優(yōu)勢，使月面著陸器準(zhǔn)確著陸于月面平坦區(qū)域。

1 載人月面著陸避障技術(shù)發(fā)展

1.1 “阿波羅”載人月面著陸器避障

美國“阿波羅”載人登月計(jì)劃中，受到敏感器技術(shù)水平限制，月面著陸過程中的避障全部由航天員手動(dòng)完成。登月艙中的航天員通過舷窗目測飛行前方月面地形，并通過著陸點(diǎn)指示器（即舷窗上的刻線）預(yù)測著陸區(qū)域。在飛行高度較高時(shí)，如果目標(biāo)著陸區(qū)域地形條件不滿足安全著陸要求，航天員將手動(dòng)輸入避障機(jī)動(dòng)指令；在著陸最后階段，航天員通過手柄直接控制登月艙機(jī)動(dòng)飛行，以準(zhǔn)確避開月面障礙?！鞍⒉_十二號”首次實(shí)現(xiàn)了載人月面定點(diǎn)著陸任務(wù)，在接近段飛行中航天員進(jìn)行了7次著陸點(diǎn)重新規(guī)劃和避障機(jī)動(dòng)（如圖1所示），然后又通過手柄操縱登月艙機(jī)動(dòng)飛行，最終準(zhǔn)確著陸于距離“勘探者三號”無人月面著陸器163m處的安全區(qū)域[6]。圖中，P66為“阿波羅”載人月面著陸期間的制導(dǎo)程序之一，N為各個(gè)避障階段的序號，LPD為“阿波羅”登月艙前方舷窗上的“著陸點(diǎn)指示器”，用以輔助航天員瞄準(zhǔn)預(yù)定月面著陸點(diǎn)。

圖1 “阿波羅十二號”月面著陸中航天員手動(dòng)進(jìn)行避障機(jī)動(dòng)Fig.1 Human hazard avoidance control in Apollo-12 lunar landingm ission

由于“阿波羅”6次載人登月任務(wù)均著陸于月面低緯度地區(qū)（南北緯26°以內(nèi)）而且著陸時(shí)光照條件較好，航天員手動(dòng)避障取得了不錯(cuò)的效果；但在下降最后時(shí)刻，下降級主發(fā)動(dòng)機(jī)羽流激起的月塵使得航天員難以準(zhǔn)確觀察月面情況，這種全手動(dòng)避障方案存在較大風(fēng)險(xiǎn)。例如，“阿波羅十四號”月面著陸后傾斜角達(dá)到11°（安全極限為12°）；“阿波羅十五號”月面著陸時(shí)下降級發(fā)動(dòng)機(jī)受損，且整器傾斜10°；“阿波羅十七號”著陸于一塊大型月巖附近，給航天員出艙活動(dòng)帶來了極大不便[7-8]?！鞍⒉_”計(jì)劃中實(shí)際月面著陸情況，如圖2所示。

圖2 “阿波羅”計(jì)劃中實(shí)際月面著陸情況Fig.2 Actual landing situation of Apollo program

1.2 “星座”計(jì)劃載人月面著陸避障

“星座”計(jì)劃是美國于21世紀(jì)初提出的載人登月計(jì)劃，為了確保載人月面著陸安全，NASA約翰遜航天中心（Johnson Space Center，JSC）主導(dǎo)開展了自主著陸障礙規(guī)避技術(shù)（autonomous landing hazards avoidance technology，ALHAT）研發(fā)項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)“識別不小于0.3m的月巖和不小于5°的斜坡，在任意光照條件下安全精確地著陸于月面任何地點(diǎn)”的目標(biāo)[9-10]。

ALHAT項(xiàng)目中對航天員在著陸避障中的作用和角色進(jìn)行了重新分析和定位[11-12]，研究后認(rèn)為載人月面著陸任務(wù)中航天員應(yīng)該參與到避障控制閉環(huán)中來，通過對基礎(chǔ)障礙探測信息的處理分析為航天員提供直觀準(zhǔn)確的輔助決策信息，航天員手動(dòng)控制與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)之間應(yīng)形成良好的配合與互動(dòng)。

雖然“星座”計(jì)劃于2010年中止，但考慮到著陸避障技術(shù)在未來載人深空探測中的重要應(yīng)用價(jià)值，ALHAT項(xiàng)目研究一直在持續(xù)。2014年4月23日，裝備了在ALHAT中研發(fā)的新體制敏感器及控制算法的“睡神號”（Morpheus）著陸器成功地在肯尼迪航天中心的地面試驗(yàn)場中完成了自主著陸避障飛行試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 “睡神號”著陸器進(jìn)行自主著陸避障飛行試驗(yàn)Fig.3 Autonomous landing and hazard avoidance flight testofMorpheus lunar lander

ALHAT計(jì)劃中重點(diǎn)發(fā)展了3項(xiàng)技術(shù)：障礙探測與規(guī)避技術(shù)（hazards detection and avoidance，HDA），地形相對導(dǎo)航技術(shù)（terrain relative navigation，TRN），障礙相對導(dǎo)航技術(shù)（hazards relative navigation，HRN），但核心在于發(fā)展新型高精度敏感器[13]。

經(jīng)過認(rèn)真評估，ALHAT采用了多普勒激光雷達(dá)、激光高度計(jì)以及閃光式激光雷達(dá)（flash laser intensity direction and ranging，F(xiàn)lash LIDAR），其中Flash LIDAR可以在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對目標(biāo)地形進(jìn)行高精度三維成像，是主要的著陸避障敏感器。

為了驗(yàn)證各種敏感器以及相對應(yīng)的障礙識別、避障機(jī)動(dòng)飛行控制等算法，ALHAT目前已經(jīng)完成室內(nèi)測試和多次搭載飛行測試。在數(shù)學(xué)仿真、直升機(jī)/飛機(jī)搭載試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，開始了在“睡神號”無人著陸器上的搭載試驗(yàn)[14]。

1.3 “嫦娥三號”月面著陸器

我國“嫦娥三號”無人月面著陸器于2013年12月14日成功軟著陸于月球雨海西北部，這是我國第一個(gè)地外行星著陸器，并在全世界首次實(shí)現(xiàn)了利用機(jī)器視覺的地外天體軟著陸的自主避障?！版隙鹑枴笔褂每梢姽夂图す鈨煞N手段對月面地形進(jìn)行觀測，并通過粗精接力的方式進(jìn)行避障機(jī)動(dòng)。實(shí)際飛行中，“嫦娥三號”到達(dá)距離月面100m高度時(shí)開始懸停并對下方50m×50m的月面區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)勘察，僅用了不到30s的時(shí)間就識別出安全著陸點(diǎn)，隨后轉(zhuǎn)入避障機(jī)動(dòng)段順利軟著陸，綜合避障飛行精度為1.5m[15]。

1.4 載人月面著陸避障技術(shù)發(fā)展方向

載人月面著陸避障是確保飛行任務(wù)成功的重要因素，隨著光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的快速進(jìn)步，著陸過程中可以精確實(shí)時(shí)地獲得月面地形信息，并開展自主避障機(jī)動(dòng)飛行；同時(shí)，自主避障技術(shù)的發(fā)展更有利于發(fā)揮航天員的主觀能動(dòng)作用，其手動(dòng)避障是成為自主避障必不可少的備份[16]。

2 載人月面著陸避障方案設(shè)計(jì)

載人月面著陸避障涉及到飛行方案設(shè)計(jì)、地形障礙檢測與識別、避障機(jī)動(dòng)控制以及航天員參與的人控避障等方面，結(jié)合載人月面著陸飛行過程及著陸避障要求，提出載人月面著陸避障方案，如表1所示。

表1 載人月面著陸地形障礙探測與規(guī)避方案Tab.1 Terrain hazard detection and avoidance scheme of human lunar landing

2.1 避障飛行方案

由于月面附近接近真空狀態(tài)，載人月面著陸只能采用全程動(dòng)力飛行的方式。從距離月面15km高度開始，月面著陸飛行過程可以分為主減速段、姿態(tài)調(diào)整段、接近段、機(jī)動(dòng)段和緩速下降段，各階段飛行任務(wù)均有不同，主減速段主要目的是為了高效降低月面著陸器軌道速度，同時(shí)進(jìn)行制導(dǎo)以消除下降過程中的軌跡散布；姿態(tài)調(diào)整段通過快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)，以滿足接近段初始狀態(tài)要求；接近段以接近固定的姿態(tài)飛行，通過制導(dǎo)進(jìn)一步消除月面著陸器落點(diǎn)誤差；機(jī)動(dòng)段初始時(shí)刻著陸器相對月面速度已很小，可進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行；緩速下降段著陸器以恒定速度下降，直至著陸月面。

根據(jù)月面著陸器飛行狀態(tài)和敏感器作用距離限制，可在接近段、機(jī)動(dòng)段和緩速下降段3個(gè)飛行階段中進(jìn)行避障。根據(jù)獲取地形障礙信息的精度以及機(jī)動(dòng)飛行控制能力，可將避障分為粗避障和精避障兩種類型。

在接近段，從距離月面1500m高度開始，以相對月面固定姿態(tài)飛行，對目標(biāo)著陸區(qū)域進(jìn)行大致觀察；基于障礙檢測識別結(jié)果調(diào)整制導(dǎo)目標(biāo)，以避開地形障礙較多區(qū)域；此階段屬于粗避障。

在機(jī)動(dòng)段，從距離月面約100m高度開始，接近懸停狀態(tài)，對目標(biāo)著陸點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)觀察；基于障礙檢測識別結(jié)果進(jìn)行六自由度控制，以到達(dá)安全著陸點(diǎn)上方；此階段屬于精避障。

在緩速下降段，從距離月面約20m高度開始，以2m/s恒速下降直至發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)（4m高度）；對目標(biāo)著陸點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步觀察，并分析各著陸腿月面接觸點(diǎn)處情況；如有需要可進(jìn)行滾動(dòng)方向（沿著陸器縱軸）姿態(tài)調(diào)整，確保著陸腿足墊不會(huì)著陸于突出月巖上、或者著陸于月球坑后整器發(fā)生陷落；此階段屬于精避障。

著陸避障階段的飛行方案，如圖4所示。

圖4 載人月面著陸飛行過程與避障飛行方案Fig.4 Flight process and hazard avoidance scheme of human lunar landing

2.2 地形障礙檢測與識別方案

載人月面著陸避障采用可見光測量和激光測量兩種手段進(jìn)行月面地形觀測。

2.2.1 可見光測量

月面著陸器配置光學(xué)相機(jī)，在接近段飛行中對目標(biāo)著陸區(qū)域進(jìn)行觀測。通過光學(xué)圖像處理，識別月球坑、月巖等典型地貌特征，并基于陰影等特征識別月面坡度。

可見光測量可以獲取大面積的月面地形信息，但成像品量容易受到月面光照條件影響。由于飛行高度較高，而且獲得的基本信息是二維的，可見光測量只能辨識出尺寸較大、特征明顯的月面地形障礙，適合進(jìn)行大范圍月面著陸區(qū)域的分析比較。

2.2.2 激光測量

月面著陸器配置激光高度計(jì)、多普勒激光雷達(dá)和Flash LIDAR，在接近段后期和機(jī)動(dòng)段、緩速下降段對目標(biāo)著陸點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)勘察。

Flash LIDAR一次成像獲取目標(biāo)著陸點(diǎn)附近區(qū)域高程信息，重構(gòu)得到三維地形信息，進(jìn)一步解算辨識可以獲得準(zhǔn)確的月面地形障礙信息。相對光學(xué)成像，激光三維成像在地形坡度辨識上具有突出的優(yōu)勢，但激光三維成像區(qū)域小、信息處理過程長，數(shù)據(jù)輸出頻率難以提高；同時(shí)，距離月面較低時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流激起的月塵會(huì)顯著降低激光測量精度。

激光高度計(jì)可以準(zhǔn)確測量相對月面高度（0.2m精度）、多普勒激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確測量相對月面高度（0.05m精度）和速度（0.01m/s精度），用于避障階段的相對導(dǎo)航。

著陸避障階段的敏感器工作規(guī)劃，如圖5所示。

圖5 載人月面著陸避障敏感器工作規(guī)劃Fig.5 Working planning of hazard avoidance sensors during human lunar landing

2.3 地形障礙規(guī)避機(jī)動(dòng)控制

根據(jù)避障飛行方案設(shè)計(jì)，接近段飛行有制導(dǎo)，機(jī)動(dòng)段飛行屬于六自由度控制，緩速下降段是在維持月面著陸器姿態(tài)穩(wěn)定的同時(shí)保持恒定下降速度，相應(yīng)各階段避障機(jī)動(dòng)控制方法也不同。

月面著陸器配置1臺(tái)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，可雙向側(cè)擺進(jìn)行俯仰和偏航姿態(tài)控制（TVC）；配置16臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，用于姿態(tài)控制。

（1）接近段避障控制方法

如果經(jīng)過障礙檢測發(fā)現(xiàn)當(dāng)前目標(biāo)著陸區(qū)域地形不滿足安全著陸要求，則需要在下降軌道面內(nèi)重新設(shè)定目標(biāo)著陸區(qū)域。將新生成的目標(biāo)著陸區(qū)域作為制導(dǎo)目標(biāo)位置，原制導(dǎo)目標(biāo)速度保持不變，生成制導(dǎo)指令控制月面著陸器飛行。

接近段軌控指令由主發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行，TVC控制俯仰和偏航姿態(tài)，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)控制滾動(dòng)姿態(tài)。

（2）機(jī)動(dòng)段避障控制方法

機(jī)動(dòng)段本身就是為了避障設(shè)置的飛行階段。基于障礙檢測結(jié)果進(jìn)行六自由度控制，目標(biāo)位置即為障礙檢測確定的安全著陸點(diǎn)，目標(biāo)高度為20m，橫向目標(biāo)速度為0，垂直方向速度為－2m/s，目標(biāo)姿態(tài)與月面當(dāng)?shù)毓踢B坐標(biāo)系重合。

機(jī)動(dòng)段位置速度控制通過主發(fā)動(dòng)機(jī)變推力以及側(cè)擺實(shí)現(xiàn)；為了維持機(jī)動(dòng)過程中的姿態(tài)穩(wěn)定，主發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)擺后引起的擾動(dòng)力矩由姿控發(fā)動(dòng)機(jī)抵消。

（3）緩速下降段避障控制方法

緩速下降段僅根據(jù)著陸點(diǎn)處地形信息進(jìn)行滾動(dòng)姿態(tài)控制，俯仰和偏航方向保持姿態(tài)穩(wěn)定；垂直方向推力只需抵消當(dāng)前月面著陸器重力即可，橫向目標(biāo)速度為0。

緩速下降段垂直方向速度由主發(fā)動(dòng)機(jī)變推力進(jìn)行控制，此階段主發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)行側(cè)擺，俯仰偏航方向的姿態(tài)穩(wěn)定以及滾動(dòng)方向的姿態(tài)機(jī)動(dòng)等控制指令由姿控發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行。

3 載人月面著陸人控避障方案設(shè)計(jì)

3.1 航天員月面地形觀測

接近段及后續(xù)飛行過程中，設(shè)計(jì)月面著陸器舷窗朝向飛行前進(jìn)方向。隨著月面著陸器縱軸與當(dāng)?shù)卦虑蛑亓Ψ捶较蚪嵌戎饾u減小，航天員通過舷窗觀察月面地形的視角會(huì)逐漸增大。

在月面著陸器舷窗上增加瞄準(zhǔn)刻線，用于航天員在接近段及后續(xù)飛行過程中人工預(yù)測目標(biāo)著陸點(diǎn)，并對著陸點(diǎn)地形進(jìn)行評估。

光學(xué)相機(jī)和Flash LIDAR觀察圖像實(shí)時(shí)顯示在月面著陸器艙內(nèi)，并融合顯示預(yù)測著陸點(diǎn)位置，用于航天員進(jìn)行人工避障檢測。

3.2 面向航天員的輔助決策

航天員在著陸避障中的突出優(yōu)勢是快速判斷和智能決策，對于已有地形光學(xué)圖像或者三維數(shù)字高程圖，航天員很快就能辨識地形障礙并做出安全著陸點(diǎn)選擇。但航天員的辨識效果和判斷準(zhǔn)確性很容易受到艙內(nèi)環(huán)境、飛行過載以及心理狀態(tài)的影響，需要自主避障系統(tǒng)為其提供輔助信息，才能達(dá)到較好的人機(jī)協(xié)同工作效果。

自主避障系統(tǒng)對月面地形觀測信息進(jìn)行處理，在目標(biāo)著陸區(qū)域地形圖上對地形障礙進(jìn)行醒目標(biāo)識，給出地形障礙大小和危險(xiǎn)等級等數(shù)字信息；標(biāo)識出安全著陸區(qū)域，按照一定準(zhǔn)則給出各著陸區(qū)域優(yōu)先等級。在機(jī)動(dòng)段，自主避障系統(tǒng)會(huì)根據(jù)月面著陸器當(dāng)前狀態(tài)（位置、速度和推進(jìn)劑剩余量），對月面著陸器機(jī)動(dòng)可達(dá)區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，作為安全著陸點(diǎn)優(yōu)先級排序的依據(jù)。以上避障輔助決策信息可將航天員從低端重復(fù)性計(jì)算判斷工作中解放出來，從而集中精力完成關(guān)鍵的快速智能決策工作。

3.3 航天員手動(dòng)控制

在接近段飛行中，航天員可在月面地形圖中直接點(diǎn)擊，以選擇確定目標(biāo)著陸區(qū)域。由于此時(shí)月面著陸器飛行狀態(tài)變化較快，不適合航天員直接手動(dòng)操作。

在機(jī)動(dòng)段飛行中，航天員可利用控制手柄直接操縱月面著陸器進(jìn)行避障機(jī)動(dòng)飛行。手柄操縱指令經(jīng)過月面著陸器控制計(jì)算機(jī)解算，轉(zhuǎn)換為主發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小、TVC側(cè)擺角以及姿控發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)機(jī)等指令，并發(fā)動(dòng)到各遠(yuǎn)端控制器執(zhí)行。

3.4 人控避障與自主避障

航天員參與的避障方案，如圖6所示。自主避障是月面著陸避障的主份系統(tǒng)，人控避障基于自主避障信息處理結(jié)果進(jìn)行智能決策、所施加操控指令也由自主避障系統(tǒng)具體執(zhí)行，兩者相互關(guān)系及信息流，如圖7所示。

圖6 航天員人控避障方案Fig.6 Astronautmanualhazard avoidance control scheme

圖7 載人月面著陸人控避障與自主避障Fig.7 Human and autonomous hazard avoidance control ofmanned lunar landing

4 結(jié)束語

文章對典型載人登月任務(wù)中的月面著陸避障技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了調(diào)研，總結(jié)出載人月面著陸避障的發(fā)展趨勢；結(jié)合載人月面著陸基本飛行方案提出避障飛行方案，規(guī)劃各飛行階段的避障任務(wù)；結(jié)合各飛行階段特點(diǎn)以及敏感器應(yīng)用條件，設(shè)計(jì)了載人月面著陸地形障礙檢測方案，利用可見光和激光測量形成對著陸目標(biāo)區(qū)域的普查和詳查；提出了避障所需機(jī)動(dòng)飛行的控制方法，包括制導(dǎo)目標(biāo)重設(shè)、六自由度控制以及滾動(dòng)姿態(tài)機(jī)動(dòng)等。結(jié)合載人飛行特點(diǎn)和月面著陸避障任務(wù)，設(shè)計(jì)了人控避障方案，包括地形觀測、輔助決策和人控。

載人月面著陸避障方案充分考慮了著陸動(dòng)力飛行特點(diǎn)、載人飛行任務(wù)的安全性可靠性要求以及主要約束條件，具有較高的工程適用性。

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