小行星形貌特征的分析与描述

小行星形貌特征的分析对深空探测器的导航、着陆点的选取具有重要意义。现有的深空星体形貌特征的分析与描述主要集中在火星、月球等类地天体上,而作为宇宙中为数众多、信息量丰富的小行星却鲜有文献对其形貌特征作详细深入的介绍。文章以Vesta、Eros、Mimas等人类已探测的小行星为例,分析了几种典型的小行星表面形貌特征,完善了凹坑、岩石等形貌特征的描述参数,并用仿真实验生成了Mimas小行星表面的Herschel凹坑模型。实验结果显示,所提出的特征描述方法具有较好的仿真度和实用性。     

小行星三维地形模型几何重建方法

DOI： 10.3969/j.issn.1674 1579.2020.01.008小行星三维地形模型几何重建方法刘兴潭，武延鹏，吴奋陟，顾营迎，郑然，梁潇摘要： 小行星全球测绘对深空探测定点着陆具有重要意义.通过对绕飞段光学敏感器拍摄的序列图像进行几何立体重建方法的研究，可以实现探测器位姿信息未知情况下的三维地形建模.综合小行星表面特性、小行星运行特点与探测器飞行需求，首先通过全局的运动恢复结构完成小行星稀疏点云重建，再利用多视角场景重建对点云进行稠密化得到致密均匀的网格.然后采用隼鸟号探测器绕飞阶段实测影像，对小行星糸川(25143 Itokawa)的三维地形进行仿真重建，分辨率为0.36 m；并在光学实验室对3D打印的小行星比例模型进行模拟观测实验，得到重建分辨率为0.67 m.最后通过点云配准，进一步验证方法的有效性.结果表明，本方法稳定性较强，在分辨率要求在米级范围内的情况下，能够较好地针对小行星表面地形进行三维重建.     

碎石堆构造小行星表面地形分析与仿真验证

人类迄今对太阳系小天体开展的探测包括地基、天基远距离观测和"罗塞塔号""隼鸟号"等探测器的抵近观测、着陆取样等。对具有碎石堆构造特性的小行星表面地形特性进行研究,提出了一种生成小行星表面地形仿真模型的方法,建立石块生成模型,对影响地形构造的石块幂律分布规律进行实验模拟。根据小天体着陆段导航方法验证及表面操作执行机构验证需要,选择并仿真生成了5种典型地形。实验结果表明:按照本文方法生成的仿真地形与实际探测得到的小行星表面局部地形相比一致性较好,可用于近操作任务中的着陆机构验证和地形相对导航算法初步验证。     

火星地形测绘研究综述

火星地形测绘是开展火星科学研究的基础。介绍了与地形测绘相关的火星探测任务,并对地形测绘传感器进行了分析。阐述了火星地形测绘摄影测量数据处理的基本原理,研究了基于SPICE库建立火星表面线阵影像严密几何模型的方法。讨论了火星地形测绘摄影测量数据处理中的光束法平差、密集匹配以及多线阵拼接等关键技术。在总结现有火星地形测绘任务特点的基础上,针对我国开展火星地形测绘研究提出了建议。     

无人平台复杂地形探测的视触融合方法

为提高无人平台在复杂环境中的地形探测能力以及解决在小样本数据下识别地形困难的问题，提出了一种无人平台复杂地形探测的视触融合方法。在原始宽度学习的基础上，建立了多模态级联特征节点宽度学习框架。首先进行触觉和视觉初步特征提取和融合特征提取，随后将融合特征矩阵经宽度学习分类器得到地形识别的结果。最后，在自建的视觉-触觉地形 (V-T2)数据集进行了实验验证。结果表明，相比于传统的融合算法，提出的融合算法有很好的准确性和鲁棒性，为无人平台地形探测提供了有效的策略。     

基于最小轨道交叉距离的小行星顺访探测目标预筛选方法

小行星探测有助于研究太阳系演化等重要科学问题,在深空探测任务转移途中实施小行星顺访探测可增加科学研究回报。直接通过轨道递推筛选小行星探测目标计算量大、效率低,针对该问题提出了基于最小轨道交叉距离的目标预筛选方法。在推导出适用于计算双曲线轨道的最小轨道交叉距离公式后,将此理论应用到小行星顺访探测目标筛选中。首先基于探测器与小行星轨道的形状、空间位置计算二者轨道在空间中的几何最近距离,预筛选出可能满足接近距离标准的小行星目标;然后基于轨道递推模型,筛选出真实最近距离小于可接近标准的目标小行星。仿真结果显示,基于最小轨道交叉距离的预筛选方法可有效减少计算量,降低计算时间,提高小行星顺访目标筛选的效率。      

基于嫦娥一号观测数据的月球形貌可视化技术

通过对月球形貌可视化技术的研究, 分析了利用嫦娥一号获取的月球地形和正射影像数据制作月球形貌图的技术方法. 重点介绍了广泛应用于嫦娥一号数据处理和分析的晕渲地形图制作、月球地形影像假彩色融合和三维形貌场景构建的原理, 并给出了每种方法的应用实例. 这些方法为后续月球探测研究、月球空间信息系统以及``数字月球'的建设奠定了基础.      

深空探测航天器巡航段自主导航方法研究

对深空探测航天器自主导航方法进行了研究。为了应对深空探测中航天器轨道动力学模型的误差，在分光计测量航天器相对于太阳径向速度基础上，引入了小行星的视线矢量测量。通过最小二乘法计算出由小行星视线矢量所得到的位置信息，采用改进的信息融合方法修正扩展卡尔曼滤波中不精确的动力学模型造成的状态估计误差。同时计算了模型的能观度，对模型的可观性进行了分析。最后对算法进行了仿真分析，仿真结果表明，该算法对动力学模型的依赖性明显低于其他算法，在相同模型精度下，可获得更好的滤波精度。     

关于磁层中磁力线几何结构的研究

磁层磁场的几何结构是空间物理中的重要研究内容．本文采用曲率半径分析方法,结合Cluster立体探测的相关知识和背景,利用Cluster立体探测的优势,通过对Cluster 2001年的立体探测数据的研究,分析了磁层各区域的磁力线结构,包括背阳面、Cusp区以及昏侧,得出各区域中磁力线的曲率半径大小,曲率矢量以及磁力线密切面的法线矢量的方向．利用这些参量直接确定出该区域中磁力线的空间几何构型,进而揭示了该区域磁场的三维立体结构．所得结果也验证了曲率半径分析方法的正确性．在科学探测数据完备的情况下,将这一研究方法应用到磁层中其他所有区域,可以得到整个磁层的详细三维结构模型,这具有重要的科学意义．     

光栅式双目立体视觉传感器光条快速匹配算法

光栅式双目立体视觉传感器用于物体三维形貌测量,其难点之一是光栅光条的匹配与识别.利用可见光条数和光条序列组合间的关系,提出了一种基于空间三维搜索的快速光条匹配算法.将光栅式双目立体视觉传感器看作两个光栅结构光传感器,分别进行标定后,可计算各光条中心点的三维坐标.搜索不同光条中心点集之间的距离最小且模型编号相同的光条即为匹配光条.分析了可见光条数目和光条序列组合间的关系后,列出各种可能的组合情况,设计了搜索算法,排除了冗余计算,大大减少了计算量,实验证明了方法的有效性.     

Single crater-aided inertial navigation for autonomous asteroid landing

In this paper, a novel crater-aided inertial navigation approach for autonomous asteroid landing mission is developed. It overcomes the major deficiencies of existing approaches in the literature, which mainly focuses on the case where craters are abundant in the camera field of view. As a result, traditional crater based methods require at least three craters to achieve crater matching, which limits their application in final landing phase where craters are scarce in the camera’s field of view. In contrast, the proposed algorithm enables single crater based crater matching based on a novel 2D-3D crater re-projection model. The re-projection model adopts inertial measurements as a reference, and re-projects the 3D crater model onto descent images to achieve the matching to its counterpart. An asteroid landing simulation toolbox is developed to validate the performance of the proposed approach. Through comparison with the state-of-the-art local image feature and crater based navigation algorithms, the proposed approach is validated to achieve a competitive performance in terms of feature matching and pose estimation accuracy with a much lighter computational cost.     

基于Unity3D的月面复杂地形场景构建及模拟驾驶系统

为了验证未来复杂月面地形操控技术方案,本文基于Unity3D物理引擎对月表模型、月球物理环境以及月面光照环境进行了模拟,设计并开发了一套用于模拟月球自主进行着陆点选址以及在线航天器着陆轨迹规划的模拟系统。模拟系统的工作过程包含了：基于面阵雷达与立体相机信息融合的局部月表重建,基于3D重建结果的月表地形着陆代价的快速评估与自动着陆选址,以及使登陆器能够到达选址目标的最优燃料消耗着陆运动规划,实现了月球着陆器短距离自主选址着陆的模拟系统构建,同时也从仿真的角度初步验证了“地形重建-地形评估-自主选址-软着陆”这一自主着陆过程的可行性。     

基于激光三角法的CBN杯形砂轮表面形貌检测

分析了常见的砂轮表面形貌检测方法的局限性,阐述了激光三角法的基本原理.在此基础上,提出了激光三角法检测砂轮表面三维形貌的方法和装置,利用它可以对砂轮表面进行扫描测量,得到表面各点的三维坐标,随后通过origin软件的绘图功能和数据分析功能得到砂轮表面的三维形貌图和单个砂粒的三维尺寸.在实验中,得到了在航空发动机叶片磨抛中使用的60#杯形CBN砂轮表面0.5 mm×1.6 mm面积的三维形貌图,某单个磨粒宽度为209.1 μm,磨粒切刃突出高度为17.3 μm.该结果与用美国WYKO的白光干涉三维表面形貌仪测量结果之间的误差为1.00%左右,这说明所采用的激光三角法测量砂轮表面三维形貌是可行的.      

A machine learning approach to crater detection from topographic data

Craters are distinctive features on the surfaces of most terrestrial planets. Craters reveal the relative ages of surface units and provide information on surface geology. Extracting craters is one of the fundamental tasks in planetary research. Although many automated crater detection algorithms have been developed to exact craters from image or topographic data, most of them are applicable only in particular regions, and only a few can be widely used, especially in complex surface settings. In this study, we present a machine learning approach to crater detection from topographic data. This approach includes two steps: detecting square regions which contain one crater with the use of a boosting algorithm and delineating the rims of the crater in each square region by local terrain analysis and circular Hough transform. A new variant of Haar-like features (scaled Haar-like features) is proposed and combined with traditional Haar-like features and local binary pattern features to enhance the performance of the classifier. Experimental results with the use of Mars topographic data demonstrate that the developed approach can significantly decrease the false positive detection rate while maintaining a relatively high true positive detection rate even in challenging sites.     

一种基于CAHVOR模型的导航相机标定方法

在月球车探测任务中,一般通过对相机采集到的图片进行三维重建分析获得路面情况信息,精确标定相机是这些工作的前提.相机标定要求算法简单且能满足高精度要求,CAHVOR相机标定方法经JPL实验验证并成功地应用于火星探测器（MER）任务中,该方法从矢量角度分析相机成像原理.分析该方法的标定原理和参数求解算法,对该方法进行数字仿真,验证算法精度.为了进一步分析标定精度和速度,通过试验对该算法与传统的摄影测量标定方法进行比较,结果显示CAHVOR方法可达到满意的标定精度要求,而且在标定算法速度方面具有快速的优点.     

Landing of hopping rovers on Irregularly-shaped small bodies using attitude control

A hopping rover that is driven only by internal or external attitude actuators is an ideal mobility approach for surface exploration of small solar system bodies. Without thrust control and grasping mechanisms, a hopping rover is mechanically simple to design and less prone to mechanical failures, but faces challenges during soft landing. It may rebound from the surface, causing deviations from its original landing site. In this paper, landing of a hopping rover on the surface of an asteroid is investigated, and a strategy using only attitude control to shorten the landing distance is proposed. Based on rigid body impact dynamics, the edge impact configuration is investigated in detail. The factors that affect the impact states of a cube-shaped hopping rover are studied. Then, controlled edge landing is analyzed, in which the post-impact velocity of the hopping rover is changed by controlling its attitude prior to impact. Three guidance schemes are developed, followed by attitude profile generation and finite time stable attitude control. Finally, simulations are performed on an ideal flat surface and uneven terrain. The results show that controlled edge landing can effectively reduce the landing distance and settling time, compared with uncontrolled landing. This study on hopping motion on the surface of an irregular-shaped asteroid with attitude control, can provide a reference for hopper trajectory plan in future asteroid surface explorations.     

A new approach based on crater detection and matching for visual navigation in planetary landing

This paper provides an approach of crater detection and matching to visual navigation in planetary landing missions. The approach aims to detect craters on the planetary surface and match them to a landmark database during the descent phase of a planetary landing mission. Firstly an image region pairing method is proposed to detect the crater by using an image region feature detector. Then a WTA-rule is adopted to match the detected crater to the crater in database. To further reduce the false matching rate, an efficient method for reducing false matches using parameters of crater in 3-D database is proposed. Real images of planetary terrain and a semi-physical planetary landing simulation platform are utilized to test the performance of the approach, simulation results show the proposed approach is able to match the required number of craters to the database for pin-point planetary landing with a low rate of false detection and false matching, which will lead to an improved planetary landing precision.     

利用绳系太阳帆减缓小行星自转的技术研究

提出一种利用太阳帆绳系系统逐渐减小小行星自转速率的方法。在系绳长度不变的情况下,利用太阳帆受到的太阳光压力使其始终保持与小行星同步,避免了由于小行星自转而引起的系绳缠绕问题。通过控制太阳帆使系绳始终拉紧,系绳中的拉力便可以持续提供一个与小行星自转方向相反的力矩,从而减小其自转速率。仿真结果表明,面积10⁶ m²的太阳帆,经过约86天可将小行星的自转消除,验证了该方法的有效性。