載人月面著陸地形障礙探測與規避方案研究

田林 戚發軔 果琳麗 王平 張有山

（中國空間技術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帶來極大危險[1-3]。月面地形障礙可能引起月面著陸器傾斜角度過大，后續無法正常起飛返回環月軌道；如果月面著陸器傾覆，將導致載人登月任務失敗。著陸過程中月球坑邊緣或月巖有可能與月面著陸器結構碰撞，破碎部件受到著陸發動機羽流作用后有可能與主結構發生碰撞，嚴重時將可能導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，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，飛行任務實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安全并全面提升載人登月任務成效，必須在著陸過程中實時地進行地形障礙探測與規避，并充分發揮航天員的快速判斷與智能決策優勢，使月面著陸器準確著陸于月面平坦區域。

1 載人月面著陸避障技術發展

1.1 “阿波羅”載人月面著陸器避障

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

圖1 “阿波羅十二號”月面著陸中航天員手動進行避障機動Fig.1 Human hazard avoidance control in Apollo-12 lunar landingm ission

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

圖2 “阿波羅”計劃中實際月面著陸情況Fig.2 Actual landing situation of Apollo program

1.2 “星座”計劃載人月面著陸避障

“星座”計劃是美國于21世紀初提出的載人登月計劃，為了確保載人月面著陸安全，NASA約翰遜航天中心（Johnson Space Center，JSC）主導開展了自主著陸障礙規避技術（autonomous landing hazards avoidance technology，ALHAT）研發項目，以實現“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”的目標[9-10]。

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

雖然“星座”計劃于2010年中止，但考慮到著陸避障技術在未來載人深空探測中的重要應用價值，ALHAT項目研究一直在持續。2014年4月23日，裝備了在ALHAT中研發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場中完成了自主著陸避障飛行試驗，如圖3所示。

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

ALHAT計劃中重點發展了3項技術：障礙探測與規避技術（hazards detection and avoidance，HDA），地形相對導航技術（terrain relative navigation，TRN），障礙相對導航技術（hazards relative navigation，HRN），但核心在于發展新型高精度敏感器[13]。

經過認真評估，ALHAT采用了多普勒激光雷達、激光高度計以及閃光式激光雷達（flash laser intensity direction and ranging，Flash LIDAR），其中Flash LIDAR可以在運動狀態下對目標地形進行高精度三維成像，是主要的著陸避障敏感器。

為了驗證各種敏感器以及相對應的障礙識別、避障機動飛行控制等算法，ALHAT目前已經完成室內測試和多次搭載飛行測試。在數學仿真、直升機/飛機搭載試驗成功的基礎上，開始了在“睡神號”無人著陸器上的搭載試驗[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，這是我國第一個地外行星著陸器，并在全世界首次實現了利用機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手段對月面地形進行觀測，并通過粗精接力的方式進行避障機動。實際飛行中，“嫦娥三號”到達距離月面100m高度時開始懸停并對下方50m×50m的月面區域進行詳細勘察，僅用了不到30s的時間就識別出安全著陸點，隨后轉入避障機動段順利軟著陸，綜合避障飛行精度為1.5m[15]。

1.4 載人月面著陸避障技術發展方向

載人月面著陸避障是確保飛行任務成功的重要因素，隨著光電技術、計算機技術和控制技術的快速進步，著陸過程中可以精確實時地獲得月面地形信息，并開展自主避障機動飛行；同時，自主避障技術的發展更有利于發揮航天員的主觀能動作用，其手動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計

載人月面著陸避障涉及到飛行方案設計、地形障礙檢測與識別、避障機動控制以及航天員參與的人控避障等方面，結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，載人月面著陸只能采用全程動力飛行的方式。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、姿態調整段、接近段、機動段和緩速下降段，各階段飛行任務均有不同，主減速段主要目的是為了高效降低月面著陸器軌道速度，同時進行制導以消除下降過程中的軌跡散布；姿態調整段通過快速姿態機動，以滿足接近段初始狀態要求；接近段以接近固定的姿態飛行，通過制導進一步消除月面著陸器落點誤差；機動段初始時刻著陸器相對月面速度已很小，可進行機動飛行；緩速下降段著陸器以恒定速度下降，直至著陸月面。

根據月面著陸器飛行狀態和敏感器作用距離限制，可在接近段、機動段和緩速下降段3個飛行階段中進行避障。根據獲取地形障礙信息的精度以及機動飛行控制能力，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飛行，對目標著陸區域進行大致觀察；基于障礙檢測識別結果調整制導目標，以避開地形障礙較多區域；此階段屬于粗避障。

在機動段，從距離月面約100m高度開始，接近懸停狀態，對目標著陸點進行詳細觀察；基于障礙檢測識別結果進行六自由度控制，以到達安全著陸點上方；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恒速下降直至發動機關機（4m高度）；對目標著陸點進行進一步觀察，并分析各著陸腿月面接觸點處情況；如有需要可進行滾動方向（沿著陸器縱軸）姿態調整，確保著陸腿足墊不會著陸于突出月巖上、或者著陸于月球坑后整器發生陷落；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行月面地形觀測。

2.2.1 可見光測量

月面著陸器配置光學相機，在接近段飛行中對目標著陸區域進行觀測。通過光學圖像處理，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，適合進行大范圍月面著陸區域的分析比較。

2.2.2 激光測量

月面著陸器配置激光高度計、多普勒激光雷達和Flash LIDAR，在接近段后期和機動段、緩速下降段對目標著陸點進行詳細勘察。

Flash LIDAR一次成像獲取目標著陸點附近區域高程信息，重構得到三維地形信息，進一步解算辨識可以獲得準確的月面地形障礙信息。相對光學成像，激光三維成像在地形坡度辨識上具有突出的優勢，但激光三維成像區域小、信息處理過程長，數據輸出頻率難以提高；同時，距離月面較低時發動機羽流激起的月塵會顯著降低激光測量精度。

激光高度計可以準確測量相對月面高度（0.2m精度）、多普勒激光雷達可以準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航。

著陸避障階段的敏感器工作規劃，如圖5所示。

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

2.3 地形障礙規避機動控制

根據避障飛行方案設計，接近段飛行有制導，機動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穩定的同時保持恒定下降速度，相應各階段避障機動控制方法也不同。

月面著陸器配置1臺變推力發動機，可雙向側擺進行俯仰和偏航姿態控制（TVC）；配置16臺姿控發動機，用于姿態控制。

（1）接近段避障控制方法

如果經過障礙檢測發現當前目標著陸區域地形不滿足安全著陸要求，則需要在下降軌道面內重新設定目標著陸區域。將新生成的目標著陸區域作為制導目標位置，原制導目標速度保持不變，生成制導指令控制月面著陸器飛行。

接近段軌控指令由主發動機執行，TVC控制俯仰和偏航姿態，姿控發動機控制滾動姿態。

（2）機動段避障控制方法

機動段本身就是為了避障設置的飛行階段?；谡系K檢測結果進行六自由度控制，目標位置即為障礙檢測確定的安全著陸點，目標高度為20m，橫向目標速度為0，垂直方向速度為－2m/s，目標姿態與月面當地固連坐標系重合。

機動段位置速度控制通過主發動機變推力以及側擺實現；為了維持機動過程中的姿態穩定，主發動機側擺后引起的擾動力矩由姿控發動機抵消。

（3）緩速下降段避障控制方法

緩速下降段僅根據著陸點處地形信息進行滾動姿態控制，俯仰和偏航方向保持姿態穩定；垂直方向推力只需抵消當前月面著陸器重力即可，橫向目標速度為0。

緩速下降段垂直方向速度由主發動機變推力進行控制，此階段主發動機不進行側擺，俯仰偏航方向的姿態穩定以及滾動方向的姿態機動等控制指令由姿控發動機執行。

3 載人月面著陸人控避障方案設計

3.1 航天員月面地形觀測

接近段及后續飛行過程中，設計月面著陸器舷窗朝向飛行前進方向。隨著月面著陸器縱軸與當地月球重力反方向角度逐漸減小，航天員通過舷窗觀察月面地形的視角會逐漸增大。

在月面著陸器舷窗上增加瞄準刻線，用于航天員在接近段及后續飛行過程中人工預測目標著陸點，并對著陸點地形進行評估。

光學相機和Flash LIDAR觀察圖像實時顯示在月面著陸器艙內，并融合顯示預測著陸點位置，用于航天員進行人工避障檢測。

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勢是快速判斷和智能決策，對于已有地形光學圖像或者三維數字高程圖，航天員很快就能辨識地形障礙并做出安全著陸點選擇。但航天員的辨識效果和判斷準確性很容易受到艙內環境、飛行過載以及心理狀態的影響，需要自主避障系統為其提供輔助信息，才能達到較好的人機協同工作效果。

自主避障系統對月面地形觀測信息進行處理，在目標著陸區域地形圖上對地形障礙進行醒目標識，給出地形障礙大小和危險等級等數字信息；標識出安全著陸區域，按照一定準則給出各著陸區域優先等級。在機動段，自主避障系統會根據月面著陸器當前狀態（位置、速度和推進劑剩余量），對月面著陸器機動可達區域進行預測，作為安全著陸點優先級排序的依據。以上避障輔助決策信息可將航天員從低端重復性計算判斷工作中解放出來，從而集中精力完成關鍵的快速智能決策工作。

3.3 航天員手動控制

在接近段飛行中，航天員可在月面地形圖中直接點擊，以選擇確定目標著陸區域。由于此時月面著陸器飛行狀態變化較快，不適合航天員直接手動操作。

在機動段飛行中，航天員可利用控制手柄直接操縱月面著陸器進行避障機動飛行。手柄操縱指令經過月面著陸器控制計算機解算，轉換為主發動機推力大小、TVC側擺角以及姿控發動機開關機等指令，并發動到各遠端控制器執行。

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，人控避障基于自主避障信息處理結果進行智能決策、所施加操控指令也由自主避障系統具體執行，兩者相互關系及信息流，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 結束語

文章對典型載人登月任務中的月面著陸避障技術發展進行了調研，總結出載人月面著陸避障的發展趨勢；結合載人月面著陸基本飛行方案提出避障飛行方案，規劃各飛行階段的避障任務；結合各飛行階段特點以及敏感器應用條件，設計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區域的普查和詳查；提出了避障所需機動飛行的控制方法，包括制導目標重設、六自由度控制以及滾動姿態機動等。結合載人飛行特點和月面著陸避障任務，設計了人控避障方案，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力飛行特點、載人飛行任務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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