鄒昕 鄧湘金 張熇 陳麗平 顧征

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

月球探測(cè)器成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

鄒昕 鄧湘金 張熇 陳麗平 顧征

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

針對(duì)月球探測(cè)器月面軟著陸與巡視勘察任務(wù)特點(diǎn)，進(jìn)行需求分析和細(xì)化，識(shí)別出月面探測(cè)任務(wù)過程中著陸器動(dòng)力下降、巡視器釋放分離、兩器月面工作狀態(tài)、月面區(qū)域地貌狀態(tài)等成像觀測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兼顧設(shè)計(jì)約束，開展成像儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基于各個(gè)成像觀測(cè)任務(wù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合月面狀態(tài)、探測(cè)器姿態(tài)和光照條件之間的相互影響，從成像儀器視場(chǎng)遮擋情況、成像目標(biāo)的陰影狀態(tài)、視頻的連貫性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠ヅ湫缘确矫妫_定成像儀器配置及功能和性能參數(shù)。此成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)已通過嫦娥三號(hào)探測(cè)器的在軌驗(yàn)證，為探測(cè)器狀態(tài)的判斷、分析及任務(wù)實(shí)施過程的評(píng)估提供了支撐，可為后續(xù)深空探測(cè)的成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)提供參考。

月球探測(cè)器；著陸器；巡視器；成像觀測(cè)任務(wù)

1 引言

深空探測(cè)是人類對(duì)未知宇宙空間以及宇宙演化過程探索的重要手段，而開展成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)是深空探測(cè)任務(wù)的首要環(huán)節(jié)之一。成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)是基于任務(wù)需求分析，針對(duì)成像觀測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合設(shè)計(jì)約束，進(jìn)行成像儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開展成像分析仿真驗(yàn)證，確定成像儀器的數(shù)量、配置、成像性能等具體參數(shù)，并最終得到深空探測(cè)成像觀測(cè)任務(wù)的成像效果。

成像儀器系統(tǒng)是大多數(shù)探測(cè)器都要配置的有效載荷［1］。美國、蘇聯(lián)等國家在進(jìn)行深空探測(cè)的活動(dòng)中，其著陸器或巡視器上都搭載了多臺(tái)成像儀器，承擔(dān)照相、監(jiān)視、輔助導(dǎo)航等任務(wù)，或通過配置多種類型的成像儀器實(shí)現(xiàn)更多功能［2-4］。例如，20世紀(jì)60年代中期到70年代中期，美國的勘測(cè)者-1～7，蘇聯(lián)的月球-9、月球-17的月行車-1和月球-21的月行車-2，均攜帶了相機(jī)和電視攝像機(jī)，用于獲取月面圖像和探測(cè)器的月面工作狀態(tài)信息，完成月面的地形地貌研究、巡視器的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃、采樣器的動(dòng)作監(jiān)視等任務(wù)［5-7］。20世紀(jì)末期，美國“探路者”火星著陸器和“旅居者”巡視器，都攜帶了一套成像系統(tǒng)，為探測(cè)目標(biāo)、巡視路徑和地形提供圖像信息。21世紀(jì)初期，美國的機(jī)遇號(hào)、勇氣號(hào)、鳳凰號(hào)和好奇心號(hào)火星探測(cè)器［8］，均攜帶了多臺(tái)相機(jī)，用于獲取火星表面圖像和探測(cè)器在火星表面的工作狀態(tài)信息，完成火星表面地形地貌的研究、巡視器的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃、鉆取采樣的位置選擇和動(dòng)作監(jiān)視等任務(wù)。而國外公開文獻(xiàn)中，雖有深空探測(cè)器成像儀器系統(tǒng)的配置和性能參數(shù)等相關(guān)介紹，但并未涉及詳細(xì)的成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)。

我國的深空探測(cè)活動(dòng)以月球探測(cè)起步，分步實(shí)現(xiàn)繞月探測(cè)、月面軟著陸與巡視勘察和采樣返回等工程任務(wù)目標(biāo)［9-10］。其中，在月面軟著陸與巡視勘察階段，為了展現(xiàn)月球探測(cè)器月面工作狀態(tài)，并為探測(cè)器狀態(tài)的判斷、分析及任務(wù)實(shí)施過程的執(zhí)行情況提供視覺信息支持，成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前，國內(nèi)也尚無具體的研究報(bào)道。本文針對(duì)月球探測(cè)器月面軟著陸與巡視勘察任務(wù)特點(diǎn)，進(jìn)行成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)，并以嫦娥三號(hào)探測(cè)器為例驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

2 成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)

2.1 任務(wù)需求分析

在月面工作的探測(cè)器主要包括著陸器和巡視器。其成像觀測(cè)任務(wù)包括：①在著陸器降落過程中，拍攝月面圖像，為巡視器的路徑規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)，同時(shí)在著陸過程中直觀監(jiān)測(cè)著陸器的姿態(tài)特性，掌握著陸推進(jìn)與著陸控制情況；②著陸后，獲得著陸器、巡視器工作狀態(tài)的圖像信息，為地面工作人員提供著陸器、巡視器工作狀態(tài)的直觀信息，以多維度評(píng)估關(guān)鍵動(dòng)作和關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)程度。根據(jù)上述任務(wù)特點(diǎn)，確定成像觀測(cè)任務(wù)過程中的6個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括動(dòng)力下降過程、巡視器釋放分離過程、巡視器月面移動(dòng)過程、著陸器月面工作狀態(tài)、月面區(qū)域成像、落月后可擇機(jī)對(duì)天體成像［11］。

2.2 設(shè)計(jì)約束分析

成像儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要受到4個(gè)方面的設(shè)計(jì)約束。

（1）資源約束。月球探測(cè)器軟著陸時(shí)的速度增量需求較大，質(zhì)量的增加將急劇增大推進(jìn)劑的需求，因此對(duì)各成像儀器的質(zhì)量控制比地球應(yīng)用衛(wèi)星更為苛刻。成像儀器系統(tǒng)在保證功能和性能要求的前提下，必須采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮小體積，減少質(zhì)量，降低功耗，提高資源利用效率，達(dá)到輕小型化設(shè)計(jì)要求。

（2）環(huán)境約束。成像儀器系統(tǒng)除適應(yīng)整個(gè)飛行過程的力學(xué)、熱、真空、輻射、光照、月塵等環(huán)境之外，還要適應(yīng)探測(cè)目標(biāo)特性，因此設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮上述因素的影響及其適應(yīng)途徑，確保成像儀器在特定的環(huán)境條件下能夠達(dá)到預(yù)期的成像效果，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能和性能。

（3）數(shù)據(jù)傳輸約束。成像儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要綜合考慮數(shù)傳碼速率的限制和實(shí)時(shí)下傳的需求，進(jìn)行分析和確定。

（4）視場(chǎng)遮擋約束。成像儀器系統(tǒng)的安裝布局受限于月球探測(cè)器的構(gòu)型布局，其觀測(cè)目標(biāo)可能被探測(cè)器本體或其他設(shè)備遮擋，也可能因著陸器著陸姿態(tài)、月面狀態(tài)等因素導(dǎo)致成像儀器的視場(chǎng)存在遮擋，因此設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮上述各種因素對(duì)成像儀器視場(chǎng)遮擋的情況，進(jìn)行成像儀器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和多工況驗(yàn)證。

2.3 成像儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 成像需求

根據(jù)任務(wù)需求分析，對(duì)成像觀測(cè)任務(wù)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)細(xì)化如下。

（1）動(dòng)力下降過程：①著陸器動(dòng)力下降段，連續(xù)獲取著陸區(qū)的月面圖像；②查看著陸區(qū)的石塊分布和地形特點(diǎn)，為著陸后巡視器的路徑規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)；③監(jiān)測(cè)著陸器在著陸過程中的姿態(tài)特性，掌握著陸推進(jìn)與著陸控制情況。

（2）巡視器釋放分離過程：①探測(cè)器著陸后到兩器釋放分離前，獲取巡視器降落點(diǎn)的月面地貌狀態(tài)；②監(jiān)視巡視器在著陸器上的鎖緊解鎖狀態(tài)、行走和到位狀態(tài)、釋放和分離狀態(tài)。

（3）巡視器月面移動(dòng)過程：①獲取巡視器在月面的彩色圖像；②監(jiān)視巡視器在月面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)視頻展示。

（4）著陸器月面工作狀態(tài)：①獲取著陸器著陸月面后的彩色圖像；②監(jiān)視著陸器在月面的采樣工作狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)視頻展示。

（5）月面區(qū)域成像：①獲取著陸器周圍月貌全景圖像；②獲取巡視區(qū)周圍月面全景圖像；③近距離觀測(cè)月面景觀，為月面撞擊坑、地形地貌特征分析提供數(shù)據(jù)源；④為巡視器的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃提供數(shù)據(jù)參考。

（6）對(duì)天體成像：擇機(jī)實(shí)現(xiàn)在月球上觀測(cè)其他天體目標(biāo)。

在上述成像觀測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，綜合考慮資源、環(huán)境、數(shù)傳、視場(chǎng)遮擋等約束條件，結(jié)合國外月球探測(cè)器成像儀器的配置情況［2-8］，確定成像儀器系統(tǒng)主要包括著陸器上的降落相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)、地形地貌相機(jī)和巡視器上的全景相機(jī)。各成像儀器與成像任務(wù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 成像儀器與成像任務(wù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Corresponding ralations between imaging instruments and imaging tasks

2.3.2 功能和性能要求

根據(jù)各成像儀器對(duì)應(yīng)的成像任務(wù)，確定其功能要求。例如：降落相機(jī)的成像目標(biāo)是月面，色彩單一，可確定為全色相機(jī)。而監(jiān)視相機(jī)、地形地貌相機(jī)和全景相機(jī)的成像目標(biāo)包括探測(cè)器，色彩鮮明，可確定均為彩色相機(jī)。巡視器在月面移動(dòng)，有運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，因此地形地貌相機(jī)和監(jiān)視相機(jī)要能夠靜態(tài)拍照和動(dòng)態(tài)攝像。為了使相機(jī)在不同的太陽光照條件下成像，相機(jī)均要具有曝光自動(dòng)調(diào)節(jié)和消雜光的功能?？紤]月面的月塵影響，相機(jī)均應(yīng)具有防塵的功能。由于深空探測(cè)的數(shù)傳約束，相機(jī)均應(yīng)具備圖像壓縮能力。

成像儀器的性能指標(biāo)，如顏色、譜段范圍、成像模式、成像距離、有效像元數(shù)量、視場(chǎng)角、幀頻、量化值、數(shù)據(jù)壓縮比、信噪比、系統(tǒng)靜態(tài)傳遞函數(shù)、最大數(shù)據(jù)率，以及成像儀器的數(shù)量、安裝位置等，要通過成像仿真驗(yàn)證反復(fù)計(jì)算和多次優(yōu)化迭代后最終確定。

2.4 成像仿真驗(yàn)證

成像仿真驗(yàn)證的具體步驟為：首先，構(gòu)建探測(cè)器系統(tǒng)、月面環(huán)境系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)光照系統(tǒng)和成像儀器可視化系統(tǒng)。然后，在成像儀器可視化系統(tǒng)中，載入探測(cè)器系統(tǒng)、月面環(huán)境系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)光照系統(tǒng)，通過對(duì)探測(cè)器的位置姿態(tài)參數(shù)、月面環(huán)境參數(shù)、光照參數(shù)、成像儀器成像屬性的交互式動(dòng)態(tài)設(shè)置和調(diào)整，最終獲得不同工況下成像效果的靜態(tài)仿真圖像和視頻，同時(shí)跟蹤成像儀器視場(chǎng)遮擋情況和成像目標(biāo)的陰影狀態(tài)，從而獲取成像儀器的最優(yōu)成像屬性，并利用其進(jìn)行成像儀器配置。具體情況如圖2所示。

圖2 月球探測(cè)器月面任務(wù)成像分析的仿真流程Fig.2 Simulation flow of imaging analysis of lunar explorer for lunar surface task

在成像儀器可視化系統(tǒng)中，根據(jù)成像儀器視場(chǎng)遮擋情況和成像目標(biāo)的陰影狀態(tài)，判斷當(dāng)前設(shè)定成像儀器成像屬性所對(duì)應(yīng)的圖像或視頻是否滿足關(guān)鍵環(huán)節(jié)的要求：若是，則輸出靜態(tài)圖像或視頻，并得到此時(shí)設(shè)定的成像儀器成像屬性；否則，更新當(dāng)前設(shè)置的成像儀器成像屬性，并重復(fù)在不同著陸姿態(tài)、月面狀態(tài)和太陽光照的工況下進(jìn)行視場(chǎng)遮擋分析和陰影狀態(tài)分析，對(duì)成像儀器成像屬性參數(shù)，如成像儀器的位置信息（包括安裝部位、俯仰角和偏航角）、視場(chǎng)角、焦距、有效像元數(shù)量、成像距離、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、幀頻等性能參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整，直到輸出的成像儀器的圖像或視頻成像效果滿足任務(wù)需求為止。經(jīng)過以上反復(fù)計(jì)算和仿真，多次優(yōu)化迭代，最終確定成像儀器的配置數(shù)量、安裝位置（含成像儀器的方位、俯仰狀態(tài)）和成像性能參數(shù)，獲得多種工況下成像儀器的可視化效果靜態(tài)仿真圖像或視頻。

3 實(shí)例驗(yàn)證

以嫦娥三號(hào)探測(cè)器成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)為例。嫦娥三號(hào)探測(cè)器包括著陸器和巡視器，著陸器攜帶的探測(cè)儀器在月面進(jìn)行就位探測(cè)；巡視器攜帶的科學(xué)儀器在月面開展巡視探測(cè)［12］。根據(jù)嫦娥三號(hào)月面工作的工程任務(wù)和科學(xué)目標(biāo)特點(diǎn)，結(jié)合嫦娥三號(hào)的構(gòu)型布局，確定其成像儀器系統(tǒng)組成和成像任務(wù)（見表1）。對(duì)6個(gè)成像觀測(cè)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行成像分析和仿真驗(yàn)證，以確定成像儀器的數(shù)量、具體安裝位置、成像性能，預(yù)估成像儀器的成像效果。

表1 嫦娥三號(hào)的成像儀器系統(tǒng)和成像任務(wù)Table 1 Imaging instrument system and imaging tasks of Chang'e-3

3.1 動(dòng)力下降過程

動(dòng)力下降過程由降落相機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。降落相機(jī)的成像目標(biāo)為月面，因此應(yīng)安裝在著陸器溫控艙底部，且光軸垂直向下。經(jīng)分析，受著陸器構(gòu)型布局條件約束，降落相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)除月面外，還可見著陸腿、足墊、部分艙板（視場(chǎng)和成像范圍如圖3所示）。在下降過程中，根據(jù)降落相機(jī)參數(shù)，可計(jì)算出降落相機(jī)不同高度的幅寬和分辨率。例如：在距月面高度2 km時(shí)，幅寬為1.65 km，分辨率為1.53 m；在距月面高度4 m時(shí)，幅寬為3.28 m，分辨率為3.04 mm。

在動(dòng)力下降過程中，探測(cè)器距月面高度約2 km時(shí)，降落相機(jī)開始工作，將拍攝的圖像存儲(chǔ)在數(shù)管分系統(tǒng)大容量存儲(chǔ)器中。數(shù)管分系統(tǒng)對(duì)降落相機(jī)拍攝圖像進(jìn)行抽幀，通過中增益天線下傳至地面，中增益天線在此過程中可保證指向地球，能進(jìn)行降落相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間約為45～290 s，計(jì)算出此過程可傳輸10～60幅降落相機(jī)圖像。在落月后2 h內(nèi)，通過定向天線將降落圖像全部傳回地球，進(jìn)行降落過程視頻展示。由于月面場(chǎng)景單一，經(jīng)成像仿真驗(yàn)證，降落相機(jī)幀頻為10幀/秒時(shí)，圖像連貫。

圖3 降落相機(jī)的視場(chǎng)和成像范圍示意Fig.3 Sketch map of field and imaging range of landing camera

嫦娥三號(hào)實(shí)際在軌動(dòng)力下降過程中，降落相機(jī)連續(xù)工作8min，記錄了探測(cè)器逐漸接近月面的過程。降落相機(jī)實(shí)拍動(dòng)力下降過程圖像如圖4所示。圖像畫面連貫，圖像清晰，曝光調(diào)整正常，能夠清楚看到探測(cè)器降落過程中月壤情況，很好地展示了探測(cè)器下降過程。

圖4 動(dòng)力下降過程中降落相機(jī)實(shí)拍圖像Fig.4 Image by landing camera in powered descent phase

3.2 巡視器釋放分離過程

巡視器釋放分離過程主要由監(jiān)視相機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。監(jiān)視相機(jī)要觀測(cè)巡視器分離解鎖到轉(zhuǎn)移至月面過程中的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如巡視器輪子是否抬起、分離插頭是否分離、巡視器是否運(yùn)行到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上、巡視器是否轉(zhuǎn)移至月面等狀況。結(jié)合著陸器的構(gòu)型布局條件，同時(shí)考慮探測(cè)器資源約束，相機(jī)所需數(shù)量最小化原則，確定采用3臺(tái)監(jiān)視相機(jī)（A，B，C）交替工作。根據(jù)觀測(cè)目標(biāo)的位置，同時(shí)考慮觀測(cè)目標(biāo)要處在光照區(qū)，且相機(jī)最好順光成像，最終確定監(jiān)視相機(jī)A和B安裝在著陸器頂板上，監(jiān)視相機(jī)C安裝在著陸器側(cè)板上。

根據(jù)著陸區(qū)域的范圍和一個(gè)月球日的太陽高度與方位的變化規(guī)律，選擇5種工況的太陽高度和方位狀態(tài)進(jìn)行成像仿真驗(yàn)證。以太陽高度角為33°、方位角為135°的典型工況為例。在巡視器分離開始時(shí)，監(jiān)視相機(jī)A可觀測(cè)分離機(jī)構(gòu)解鎖過程（巡視器的后輪抬起）和分離插頭的分離過程，仿真結(jié)果見圖5（a）。巡視器運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上后，監(jiān)視相機(jī)B可觀測(cè)巡視器是否運(yùn)行到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上，仿真結(jié)果見圖5（b）。監(jiān)視相機(jī)C可觀測(cè)巡視器從轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)行至月面的過程，如果巡視器降落點(diǎn)不在陰影區(qū)，還可觀測(cè)到巡視器的降落點(diǎn)，為巡視器是否能安全運(yùn)行到月面提供視覺信息和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，仿真結(jié)果見圖5（c）。

監(jiān)視相機(jī)主要是為對(duì)巡視器分離解鎖到轉(zhuǎn)移至月面過程中的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)靜態(tài)結(jié)果進(jìn)行判別，由于巡視器在轉(zhuǎn)移過程中的運(yùn)行速度較慢，結(jié)合準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨螅?jīng)成像仿真驗(yàn)證后，設(shè)定監(jiān)視相機(jī)在動(dòng)態(tài)攝像時(shí)的幀頻為1幀/秒，能夠滿足觀測(cè)需求。

嫦娥三號(hào)巡視器實(shí)際在軌釋放分離過程中，監(jiān)視相機(jī)A，B，C成像正常，觀測(cè)效果良好，可以直觀、清晰地反映觀測(cè)目標(biāo)的狀態(tài)，為探測(cè)器狀態(tài)的判斷、分析及任務(wù)實(shí)施過程的評(píng)估提供了有力的視覺遙測(cè)支撐。監(jiān)視相機(jī)A，B，C實(shí)拍巡視器釋放分離過程如圖6所示。

圖5 監(jiān)視相機(jī)A，B，C監(jiān)視巡視器釋放分離過程的視場(chǎng)仿真Fig.5 Field simulation of rover release and separation by surveillance camera A，B and C observation

圖6 監(jiān)視相機(jī)A，B，C實(shí)拍巡視器釋放分離過程圖像Fig.6 Image of rover release and separation by surveillance camera A，B and C

3.3 巡視器月面移動(dòng)過程

監(jiān)視相機(jī)C和地形地貌相機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)巡視器月面移動(dòng)過程觀測(cè)。監(jiān)視相機(jī)C的安裝位置和性能參數(shù)已根據(jù)巡視器釋放分離過程確定，能觀測(cè)巡視器距離著陸器10 m之內(nèi)的狀態(tài)。根據(jù)巡視器的路徑規(guī)劃，巡視器要在月面上圍繞著陸器移動(dòng)，因此地形地貌相機(jī)須安裝在著陸器具有二維轉(zhuǎn)動(dòng)能力的相機(jī)指向機(jī)構(gòu)的云臺(tái)上，觀測(cè)巡視器在月面10 m距離以外的移動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)巡視器參數(shù)、監(jiān)視相機(jī)C和地形地貌相機(jī)的性能參數(shù)，計(jì)算出它們的分辨率。

經(jīng)成像仿真驗(yàn)證，巡視器在10 m內(nèi)月面移動(dòng)時(shí)，監(jiān)視相機(jī)C的分辨率優(yōu)于1.02 cm，能清晰觀測(cè)巡視器整體和主要部件，也能清晰分辨巡視器上國旗的輪廓。當(dāng)兩器距離10 m時(shí)，地形地貌相機(jī)的分辨率為1.70 mm，可清晰觀測(cè)巡視器輪廓，也能分辨各部分的細(xì)節(jié)狀態(tài)，國旗輪廓和小五角星輪廓都可分辨，此時(shí)，巡視器和國旗在兩相機(jī)視場(chǎng)中的仿真結(jié)果如圖7所示。當(dāng)兩器距離50～100 m時(shí)，地形地貌相機(jī)對(duì)巡視器輪廓可清晰觀測(cè)，國旗輪廓可見。

監(jiān)視相機(jī)C的平均數(shù)據(jù)率為1.05 Mbit/s，著陸器通過定向天線（下行碼速率為1 Mbit/s）可準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)地傳輸月面圖像。地形地貌相機(jī)對(duì)巡視器月面移動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)攝像，通過仿真地形地貌相機(jī)對(duì)巡視器移動(dòng)的拍攝過程，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s束，確定地形地貌相機(jī)在動(dòng)態(tài)攝像時(shí)的幀頻為5幀/秒，可以實(shí)現(xiàn)巡視器月面移動(dòng)動(dòng)畫展現(xiàn)要求，并且動(dòng)態(tài)攝像數(shù)據(jù)率約為800 kbit/s，可實(shí)時(shí)對(duì)地傳輸月面圖像。

監(jiān)視相機(jī)C和地形地貌相機(jī)實(shí)拍嫦娥三號(hào)巡視器圖像如圖8所示。地形地貌相機(jī)獲得的圖像清晰，色彩真實(shí)，國旗清晰鮮紅，成像效果好，視頻連貫。

圖7 在距離10 m時(shí)監(jiān)視相機(jī)C和地形地貌相機(jī)觀測(cè)巡視器和國旗的視場(chǎng)仿真Fig.7 Field simulation of rover and flag by surveillance camera C and topography camera observation at distance of 10 meters

圖8 監(jiān)視相機(jī)C和地形地貌相機(jī)實(shí)拍巡視器圖像Fig.8 Image of rover by surveillance camera C and topography camera

3.4 著陸器月面工作狀態(tài)

全景相機(jī)用于觀測(cè)著陸器月面工作狀態(tài)。巡視器上的最高位置是巡視器桅桿，且桅桿具有二維轉(zhuǎn)動(dòng)能力，因此全景相機(jī)安裝在巡視器桅桿的云臺(tái)上。根據(jù)著陸器參數(shù)和全景相機(jī)性能參數(shù)，計(jì)算出其分辨率。

經(jīng)成像仿真驗(yàn)證，當(dāng)兩器距離3～18 m時(shí)，全景相機(jī)拍攝的單幅圖像不能完整覆蓋探測(cè)器，要進(jìn)行多幅圖像拼接實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩器距離18 m時(shí)，全景相機(jī)的分辨率為2.66 mm，視場(chǎng)范圍為6.26 m×4.61 m，單幅圖像中就能夠完整覆蓋著陸器整體，且輪廓特性和細(xì)節(jié)狀態(tài)清晰，國旗中的小五角星都可見，此時(shí)，著陸器和國旗在整幅圖像的比例如圖9所示。當(dāng)兩器距離50～100 m時(shí)，著陸器輪廓清晰，國旗輪廓可見。

全景相機(jī)實(shí)拍嫦娥三號(hào)著陸器圖像如圖10所示。圖像清晰，色彩真實(shí)，國旗清晰鮮紅，成像效果好。

圖9 在距離18 m時(shí)全景相機(jī)可獲得著陸器和國旗圖像示意Fig.9 Sketch map of lander and flag by panoramic camera observation at distance of 18 meters

圖10 全景相機(jī)實(shí)拍著陸器圖像Fig.10 Image of lander by panoramic camera

3.5 月面區(qū)域成像

地形地貌相機(jī)和全景相機(jī)用于觀測(cè)月面區(qū)域。為了獲取巡視區(qū)月面近距離立體圖像，為巡視器的路徑規(guī)劃提供數(shù)據(jù)參考，需配置2臺(tái)全景相機(jī)進(jìn)行立體成像。

（1）地形地貌相機(jī)對(duì)著陸區(qū)可視區(qū)域。經(jīng)成像仿真驗(yàn)證，著陸器著陸時(shí)的地形、姿態(tài)偏轉(zhuǎn)等情況對(duì)±Y和―Z軸方向上（坐標(biāo)定義見圖9）的可視區(qū)域有較大影響。當(dāng)著陸器降落在山頂時(shí)，著陸器±Y和―Z軸方向上的部分區(qū)域遮擋非常嚴(yán)重，部分區(qū)域永遠(yuǎn)不可見。著陸器著陸時(shí)的地形、姿態(tài)偏轉(zhuǎn)等情況對(duì)＋Z軸方向上的可視區(qū)域幾乎沒有影響，在＋Z軸方向上的±90°的區(qū)域內(nèi)，月面區(qū)域全部可見。著陸器降落在山頂時(shí)，不可視距離最長(zhǎng)；降落在月球坑底部時(shí)，不可視距離最短；降落在平面或斜平面上時(shí)，不可視距離居于上述兩者之間。

（2）全景相機(jī)的可視區(qū)域。①對(duì)著陸區(qū)可視區(qū)域：經(jīng)成像仿真驗(yàn)證，巡視器在著陸器頂部時(shí)，±Y和―Z軸方向上約9 m距離內(nèi)的區(qū)域不可見。全景相機(jī)隨著巡視器移動(dòng)，其不可視區(qū)能成為可視區(qū)域。②對(duì)巡視區(qū)可視區(qū)域：巡視器在月面上的某個(gè)探測(cè)點(diǎn)時(shí)，由于太陽翼等部件的遮擋，存在部分不可視區(qū)域，但隨著巡視器的移動(dòng)，整個(gè)巡視器區(qū)域都能成為可視區(qū)域。

嫦娥三號(hào)地形地貌相機(jī)實(shí)拍月面3圈的拼接圖如圖11所示。在月面區(qū)域環(huán)拍時(shí)，地形地貌相機(jī)和全景相機(jī)工作正常，性能穩(wěn)定，獲得的圖像清晰。

圖11 地形地貌相機(jī)實(shí)拍月面圖像Fig.11 Image of lunar surface by topography camera

3.6 對(duì)地球成像

嫦娥三號(hào)探測(cè)器到地球的距離為3.8×105km，地球半徑為6378 km，可計(jì)算得出地球所形成的張角約為2°，且在相機(jī)像面占30 663個(gè)像元，此外，2013年12月15―25日，太陽-地球-探測(cè)器的夾角為鈍角，這意味著太陽和探測(cè)器位于地球的異側(cè)，此時(shí)的光照條件不太好，只能拍攝到“地牙”。實(shí)際在軌地形地貌相機(jī)拍攝地球5次，獲取了地球靜態(tài)圖像。

3.7 小結(jié)

通過上述6個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的成像分析和仿真驗(yàn)證，最終確定了嫦娥三號(hào)成像儀器系統(tǒng)的配置、具體的安裝位置和性能參數(shù)。成像儀器系統(tǒng)包括安裝在著陸器上的1臺(tái)降落相機(jī)、3臺(tái)監(jiān)視相機(jī)和1臺(tái)地形地貌相機(jī)，安裝在巡視器上的2臺(tái)全景相機(jī)，安裝布局如圖12所示；系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)見表2。嫦娥三號(hào)探測(cè)器成像儀器系統(tǒng)的實(shí)際在軌運(yùn)行情況，驗(yàn)證了成像儀器配置參數(shù)的合理性與成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

圖12 成像儀器系統(tǒng)的安裝布局Fig.12 Layout of imaging instrument system

表2 嫦娥三號(hào)成像儀器系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)Table 2 Performances of imaging instrument system of Chang'e-3

4 結(jié)束語

本文基于月球探測(cè)器的月面軟著陸與巡視勘察任務(wù)特點(diǎn)，開展成像觀測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于嫦娥三號(hào)探測(cè)器上。結(jié)果表明：成像觀測(cè)效果良好，實(shí)現(xiàn)了我國地外天體軟著陸、兩器釋放分離和兩器月面工作狀態(tài)的拍攝，為探測(cè)器狀態(tài)的判斷、分析及任務(wù)實(shí)施過程的評(píng)估提供了有力的支撐，提高了探測(cè)器月面活動(dòng)的監(jiān)控能力。在本文提出的成像儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充或刪減成像儀器系統(tǒng)的功能和配置，利用文中提出的成像分析和仿真驗(yàn)證方法，可為后續(xù)月球、火星等探測(cè)的成像觀測(cè)任務(wù)總體設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證提供參考。

（References）

［1］Francisco J Andolz.Lunar prospector mission handbook［M］.Sunnyvale，CA：Lockheed Martin Missiles&Space Co.，1998：458-481

［2］褚桂柏，張熇.月球探測(cè)器技術(shù)［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007：4-17 Chu Guibai，Zhang He.Lunar probe technology［M］. Beijing：China Science and Technology Press，2007：4-17（in Chinese）

［3］歐陽自遠(yuǎn).月球科學(xué)概論［M］.北京：中國宇航出版社，2005：11-26 Ouyang Ziyuan.Generality of lunar science［M］.Beijing：China Astronautics Press，2005：11-26（in Chinese）

［4］Marien G J.Engineering design challenges of the lunar lander，AIAA 2004-5889［R］.Washington D.C.：AIAA，2004

［5］Sperling F B.Design and analysis of the Surveyor landing shock attenuation system，Paper 69-DE-46，A69-28848［R］.New York：ASME，1969

［6］Watson H，Murray B C，Brown H.The behavior of volatiles on the lunar surface［J］.Geophys.Res.，1961，66（9）：3033-3045

［7］Richard Vondrak，John Keller，Gordon Chin.Lunar Reconnaissance Orbiter（LRO）：observations for lunar exploration and science［J］.Space Science Reviews，2010，150（1/2/3/4）：7-22

［8］J N Maki，J F Bell，K E Herkenhoff，et al.Mars Exploration Rover engineering cameras［J］.Journal of Geophysical Research，2003，E12（108）：8071

［9］葉培建，彭兢.深空探測(cè)與我國深空探測(cè)展望［J］.中國工程科學(xué)，2006，8（10）：13-18 Ye Peijian，Peng Jing.Deep space exploration and its prospect in China［J］.Engineering Science，2006，8（10）：13-18（in Chinese）

［10］孫澤洲，張熇，吳學(xué)英，等.月球著陸探測(cè)器任務(wù)分析研究［J］.航天器工程，2010，19（5）：12-16 Sun Zezhou，Zhang He，Wu Xueying，et al.Misson analysis of a lunar soft lander［J］.Spacecraft Engineering，2010，19（5）：12-16（in Chinese）

［11］Kato M，Sasaki S，Tanaka K，et a1.The Japanese lunar mission Selene：science goals and present status［J］.Advances in Space Research，2008，42（2）：294-300

［12］孫澤洲，張廷新，張熇，等.嫦娥三號(hào)探測(cè)器的技術(shù)設(shè)計(jì)與成就［J］.中國科學(xué)技術(shù)科學(xué)，2014，44（4）：331-343 Sun Zezhou，Zhang Tingxin，Zhang He，et al.The technical design and achievements of Chang'e-3 probe［J］.Science China Technological Sciences，2014，44（4）：331-343（in Chinese）

（編輯：夏光）

Design and Verification for Imaging Observation Task of Lunar Explorer

ZOU Xin DENG Xiangjin ZHANG He CHEN Liping GU Zheng
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

In accordance with task characteristics of soft landing and rover survey for the lunar explorer，the task demand is analyzed and refined.The key processes are identified，including imaging observation task of lander powered descent，rover releasing and separation，lander/rover active state on the lunar surface and topography status of lunar surface.The design constraints are satisfied synchronizedly.The system design of imaging instruments is developed.Based on each key process of imaging observation task and combined with interrelationship among lunar surface status，explorer attitudes and illumination condition，the collocations，functions and performance parameters of visibility instruments are determined in the aspects of occlusion conditions of visual instruments'field of view，shadowed status of imaging object，consistency of video imageries，matching of data transmission and so on.This design has been verified by on-orbit Chang'e-3 lunar explorer，and provides the supports for judgment and analysis of explorer state and assessment of implementation process.It can be used as a reference for imaging observation task of deep space exploration.

lunar explorer；lander；rover；imagingobservation task

V476.3

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.003

2015-01-15；

：2015-06-11

國家重大科技專項(xiàng)工程

鄒昕，女，工程師，從事航天器總體設(shè)計(jì)及有效載荷總體設(shè)計(jì)工作。Email：zouxin501@163.com。