《嫦娥三号着陆避障激光三维成像敏感器技术》

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该项目属航空航天技术领域,面向深空探测领域的重大需求,解决空间探测器着陆地外天体的精确避障问题。任务来源为国家探月二期重大工程项目。空间着陆避障探测技术属于未来航天应用的关键技术,各航天大国都意识到其重要性并已经开始研究,但是还只有中国的嫦娥三号实现了自主精确避障着陆。美国和前苏联早期登月是依靠宇航员进行控制着陆的,美国进行的火星着陆探测,着陆段是没有主动避障导航功能,都是在预设的着陆点进行弹道式着陆,有相当的风险。例如美国的“海盗1号”着陆后通过相机发现离着陆点大约8m处有一个直径2m、高1m的大岩石,极有可能导致着陆失败。迄今为止的无人自动着陆火星任务中,由于着陆因素导致任务失败的比例高达50%。空间着陆避障探测技术的核心技术如空间应用激光器、空间应用高速扫描技术等方面都受到了国外限制或禁运,必须立足自研,该项目提出了空间激光快速成像的新体制,在国际上首次实现了基于激光三维成像技术的地外天体软着陆实时避障探测,总体技术达到国际领先水平。嫦娥三号着陆避障激光三维成像敏感器技术2011年12月完成攻关,项目成果形成了嫦娥三号激光三维成像敏感器产品,作为嫦娥三号探测器着陆悬停段唯一的避障探测技术手段,随整星成功发射,在2013年12月14日探测器着落悬停段开始工作,根据获取的高精度激光三维点云数据计算结果,着陆器平移了6m,成功避开了危险障碍区安全着陆,为嫦娥三号工程任务的圆满完成作出了重要贡献。该项目的主要创新点如下:根据激光成像原理导出了多波束激光三维成像方程,研究了强羽流场下的激光传输特性,提出了多波束二维快速扫描、线阵探测器并行接收的激光三维成像新体制。研制实现了大视场快速成像高精度的激光三维成像敏感器,成像时间达到0.25s,视场达到33°×29°。基于多波束激光三维成像方程和系统误差形成原理,提出了采用多法向平面控制网平差的标定方法,建立了专用标定场,解决了大视场、多波束激光三维成像敏感器的系统误差标定难题;并根据避障任务实时性要求,设计了点云数据图像实时反演算法。设计并研制了高重复频率、窄脉冲宽度、高峰值功率的全光纤激光器,解决了空间应用中的轻量化、低功耗等难题,并在国际上首次实现此类激光器的空间应用。突破了二维快速高精度振镜扫描技术,解决了该技术在空间恶劣环境条件下的适应性难题,实现了55Hz的快速扫描,并在嫦娥三号着陆探测器7500N发动机点火悬停振动工作条件下,控制精度达到24角秒。实现的性能指标如下:(a)作用距离:50~120m@6%反射率目标;(b)视场:33.2°×29.3°;(c)平面分辨率:0.2m×0.2m @100m;(d)高程精度(3σ):0.13m;(e)成像时间:0.25s。该项目授权专利7项,发表论文8篇。成果已经推广应用在嫦娥四号、五号、高分激光测距等项目,开始了军转民应用,具有显著的社会效益。 

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