月球表面地形数学建模方法

月球表面地形数学模型的建立是月球探测器和月面巡视探测器研制的基础,是登月飞行器和科学探测仪器设计的重要输入条件和约束条件。文章根据国外公布的月表地形模型进行分析,建立数字高程模型,对地形进行数字化描述和表示,生成月表光滑月海区域仿真地形数据。该数据能够为一般任务提供数据支持。     

基于空间可视性的星球表面巡视路径分析

针对巡视器在着陆区内巡视效率和安全巡视率低的问题,利用着陆器相机在悬停阶段获取的实时数字高程模型(DEM)地形数据,结合并依据巡视器的结构特点、越障能力、空间可视性、科学探测价值等,提出了一种对整个区域的巡视路径分析方法。仿真结果表明:在月球巡视器结构及越障能力已知的情况下,该分析方法能提供一种可靠、高效的初始巡视路径,可为星球表面巡视规划提供参考。     

地形跟踪制导中数字表面模型的研究

分析研究了数字表面模型(DSM)在飞行器地形跟踪制导中的应用，提出了一种大地坐标下和高斯坐标下DSM建模的新方法。在此基础上分析了DSM模型纵横断面采样间距对孤立障碍物的影响，分析定义了DSM模型下飞行器掠地飞行的最小安全高度。仿真试验表明，在地形跟踪制导技术中采用数字表面模型DSM比采用数字高程模型DEM有更强的制导适应性。     

月球表面温度的数值模拟

通过月球天文计算,建立了以太阳辐射、月球辐射和太阳反照参与的月球表面辐射系统模型,并考虑了月球表面从周围通过导热传入的热量,从而可以模拟任意时刻不同经纬度坐标的月球表面温度.模拟结果表明,随着纬度升高,月球表面太阳辐射强度降低,月球表面的温度也随之降低.月面温度变化周期一般为约29天;受月球的黄赤夹角影响,在纬度为90°时,温度变化周期约为178天.建立的月球表面温度模型,与较缺稀的月球实测资料进行了比较,表明本模型可较准确的模拟任意时刻不同经纬度坐标的月球表面温度,为探月设备的热设计与热控制提供研究基础.     

一种新的基于从明暗恢复形状的月球表面三维形状恢复算法

提出了一种新的基于从明暗恢复形状的月球表面三维形状恢复算法。首先 ,分析了在太阳光照条件下月球表面的成像模型,建立了基于Lunar\|Lambert反射模型的 图像辐照度方程。然后由图像辐照度方程建立相应的静态Hamilton\|Jacobi方程,使用
Lax\|Friedrichs sweeping方法逼近其粘性解,得到表面三维高度。最后通过对合成图像和 实际月球图像进行三维形状恢复,实验结果表明提出的新算法可以有效地应用于月球表面的 三维形状恢复。     

嫦娥四号着陆点区域高分辨率数字高程模型构建

嫦娥四号登月探测器成功着陆于冯·卡门撞击坑内,实现了人类历史上首次月背软着陆。嫦娥四号登月探测器着陆区的高分辨率数字高程模型(DEM)对后续任务顺利开展至关重要,着陆点区域的三维地形可为月球探测提供关键空间信息支撑,但在嫦娥四号着陆点区域,月球轨道激光高度计生成的DEM/LOLA DEM分辨率仅有30 m,未见公布高分辨率DEM。基于高分辨率的月球勘测轨道飞行器窄角相机(LROC NAC)影像,利用摄影测量法和阴影恢复形状方法(SFS)针对嫦娥四号着陆点区域,生成了着陆点区域的高分辨率DEM。结果表明,SFS法生成的DEM分辨率更高,重建的地形更加精细。     

基于Shape-from-Shading的月球表面三维形状恢复算法研究

提出了一种基于Shape-from-Shading的月球表面三维形状恢复算法。首先分析了在太阳光照射下月球表面成像模型,建立了使用Lommel-Seeliger反射模型描述的反射图方程。然后用有限差分近似微分运算,将反射图方程所示的一阶变系数线性偏微分方程进行离散化处理,得到关于表面高度函数的代数方程。进而采用超松弛迭代法进行求解,获得月球表面三维高度函数值。最后使用合成图像和实际月球图像进行三维形状恢复仿真实验。实验结果表明提出的算法可以有效地恢复月球表面三维形状。     

复杂山区ASTER GDEM2高程精度验证

数字高程模型是地理信息的基础数据。为了完善先进星载热发射和反射辐射计全球数字高程模型第二版(GDEM2)在复杂山区地形条件下的精度验证,文章以重庆市石柱土家族自治县为研究区,利用1:1万数字高程模型(DEM)数据和全球定位系统实测控制点高程数据对GDEM2数据的高程精度进行了验证,然后分高程等级、坡度等级和土地利用类型对GDEM2的高程精度进行了分析。结果显示,研究区GDEM2高程的均方根误差分别为19.67m(与1:1万DEM相比)和9.83m(与GPS控制点相比);GDEM2与1:1万DEM相比,高程差绝对值的均值为15.2m,高程差绝对值小于20m的比例为73.1%;GDEM2高程精度随高程和坡度的增加而增大,林地的误差大于耕地和草地。研究结果表明,复杂山区GDEM2的总体精度低于官方发布精度,超过25%的区域的高程误差大于20m,因此,在复杂山区对于高程精度要求较高的应用宜采用更高精度的DEM数据。     

月球探测器软着陆动力学仿真

随着深空探测技术的发展,新型月球探测器需要在遍布石块、陨石坑和斜坡等复杂月球表面上着陆,因此有必要对月球着陆探测器的着陆性能进行评估。本文对一种四腿可展开式着陆器进行了合理简化,并用ADAMS软件建立了着陆动力学仿真模型。模型中应用子程序表达缓冲铝蜂窝和月壤的力学性质,通过在预研着陆器的仿真模型上加载,实现了系统的仿真;并得到了月球探测器以给定姿态和着陆速度在不同地面坡度和月壤物理特性下的着陆性能及一般规律,对我国月球探测器软着陆动力学研究具有一定参考价值。     

基于嫦娥一号卫星获取的DEM研究月球车通信的可达性

月球车通信可达性分析为研究月球车着陆点选择提供了依据。主要通过建立数学模型,将由测高数据获取的数字高程模型(DEM)和地-月轨道参数相结合,来研究我国月球探测首选着陆区虹湾地区和月球极区的通信条件受地形条件的影响。利用"嫦娥一号"探月卫星获取的激光测高数据,得到了全月面高精度的DEM,为本研究的进行提供了精确的数据基础。本研究选取的计算时间为2013年10月1日到2013年10月30日止。计算结果表明:(1)在虹湾地区,测控上海站、昆明站、北京站和乌鲁木齐站与月球车之间的通信条件不受月面地形的影响,通信畅通,这与该地区平坦的地势是一致的;(2)月球极区由于地形的复杂性,通信条件受地形的影响很大。     

浅表层月壤铲挖采样的振动减阻技术仿真研究

文章对振动铲挖技术在浅表层月壤采样过程中的适用性进行了研究。根据月壤宏观、细观参数,采用离散元法建立了月壤模型,对月球表面低重力低气压环境下的月壤应力—应变特性进行仿真,并结合采用Balovnev机—土交互模型描述的月壤铲挖阻力公式,对月壤的振动减阻机理进行了分析。在此基础上,通过向采样器施加不同振幅和频率的振动,开展了浅表层月壤铲挖仿真,给出了铲挖过程中不同振动参数与月壤采样阻力的关系。同时,通过对比不同工况下的月壤孔隙率,验证了月壤的振动铲挖减阻机理及适用性。     

着陆作用下月尘激扬的三维离散元分析

基于模拟月尘的细观颗粒形状,采用刚性圆球单元重叠法建立了4种典型不规则模拟月尘颗粒的三维几何模型.根据月尘所处环境和颗粒间接触特性,建立了月尘离散元接触力学模型.通过三轴压缩实验离散元模拟的结果和模拟月尘的实际三轴压缩实验数据的对比,确定模拟月尘颗粒的三维离散元模型参数.采用建立的模型和获得的参数,进行了圆盘模拟体着陆...     

An inversion approach for lunar regolith layer thickness using optical albedo data and microwave emission simulation

An approach to inversion of the lunar regolith layer thickness by using multi-channel brightness temperature observation in passive microwave remote sensing is developed. To first make simulation of brightness temperature from the lunar layered media, the lunar regolith layer thickness (d) is proposed being constructed by available lunar DEM (digital elevation mapping) and on site measurements. The physical temperature distribution (T) over the lunar surface is also empirically assumed as a monotonic function of the latitude. Optical albedo of the lunar nearside from the telescopic observation is employed to construct the spatial distribution of the FeO+TiO₂ content (S) in the lunar regolith layer. A statistic relationship between the DEM and S of the lunar nearside is further extended to construction of S of the lunar farside. Thus, the dielectric permittivity (ε) of global lunar regolith layer can then be determined. Based on all these conditions (d,T,ε), brightness temperature of the lunar regolith layer in passive microwave remote sensing, which is planned for China's Chang-E lunar project, is numerically simulated by a parallel layering model using the strong fluctuation theory of random media.Then, taking these simulations with random noise as observations, an inversion method of the lunar regolith layer thickness is developed by using three- or two-channels brightness temperatures. When the S is low, and the four channels brightness temperatures in China's Chang-E project are well distinguishable, the regolith layer thickness and physical temperature of the underlying lunar rock media can be inverted by the three-channels approach. When the S becomes high that the brightness temperature at high frequency channels such as 19.35, 37 GHz are saturated, the regolith layer thickness is alternatively inverted only by the two-channels approach.Numerical simulation and inversion approach in this paper make an evaluation of the performance for lunar passive microwave remote sensing, and for future data calibration and validation.     

月球探测器自主软着陆中的三维重构技术研究

为了使月球探测器自主的在月球表面进行软着陆，应对着陆区域的地形进行三维重构的方法，获得着陆区域的地形描述。提出了一种通过运动获得长基线的立体视觉的三维重构方法，针对长基线立体视觉方法所存在的问题，通过设计一系列的算法，完成了图像特征点选取和匹配，估计相机在不同位置的相对旋转和位移；对立体图像对进行校正，获得稠密的视差图；通过视差图进行三维重构，生成着陆区域的DEM。根据月球地形的特点建立了软件仿真平台，并且在仿真平台的基础上对文中的算法进行验证。仿真的结果表明该方法可以有效的应用于月面地形的三维重构。     

月球着陆器精确定点及安全着陆技术研究

在未来月球探测中,需要对一些地形复杂的区域进行探测,而在这些区域软着陆,潜在的危险性增加,这就要求着陆时具有较高的定位精度并能够自动避险。当前,由于着陆时定点的误差较大,在小范围安全地域准确着陆很难。研究了一种精确定位、安全的软着陆方式,它在软着陆过程中增加了悬停阶段。在这一阶段中,通过着陆区危险地域的识别、着陆地点位置误差的计算,加上对着陆器横向漂移的控制技术,使着陆地点的精度以及着陆生存率大为提高,能够满足未来月球探测的软着陆要求。     

一种新型复合构型月球车的越障特性分析

将轮式、腿关节式、履带式三种机构结合起来设计了一种月球车,此车对低重力条件下的月球表面实际环境具有良好的适应性。月球车在起伏不平的地表环境中具有独特的动态特性,通过对月球车障碍地形下的越障运动过程进行理论建模和数值仿真,进而建立虚拟样机模型进行动态仿真对比研究,分析了月球车的越障特性,验证了机构设计的有效性。     

月球图像传输与处理的分析和仿真

需要一个平台对探月卫星,探月图像传输和处理进行研究. 嫦娥一号月球图像的传输与处理的仿真,结合了链路分析,采用MATLAB GUI 和虚拟现实设计工具。由于图像在深空传输中,距离较远,信号会受到很大的衰减,传输质量会受到噪声干扰的严重影响。因此要对系统链路进行严格的预算分析,包括考虑地球大气产生的影响,以确保信号传输质量满足要求,另外还要通过适当算法提高图像的清晰度。这种仿真方法对探月图像传输的研究奠定了基础,并且对降低探月成本有一定的帮助。     

月面巡视探测器地面试验方法与技术综述

“嫦娥三号”任务的圆满完成标志着我国已经突破了软着陆、巡视勘察、月夜生存等一系列深空探测关键技术。由于任务目标以及月面环境的复杂性,对巡视器的地面试验验证工作提出了很高的要求。在研制过程中,不但开展了常规航天器必做的试验项目,还开展了大量的专项试验,充分的地面试验对确保任务的成功发挥了重要作用。文章对“嫦娥三号”巡视器的地面验证需求、验证试验要求、验证试验实施情况进行了分析和总结,主要包括低重力模拟、月表地形地貌模拟、工程模拟月壤的制备与整备、光照环境模拟、月尘模拟等方面,对深空探测器试验方法与技术的发展方向提出了建议。     

月球探测器着陆冲击试验及关键技术研究

中国正在开展月球探测活动,下一步将发射月球着陆器并实现月面软着陆。为确保着陆器在月面着陆时的稳定性和可靠性,发射前需在地球表面进行着陆冲击试验。对会影响月球着陆器着陆性能的月貌和月壤进行了详细的叙述,以便在试验过程中进行相应环境特征的模拟。用图表详尽阐述了三种月球重力场模拟器的原理和装置,并对各自的优缺点进行了评述。根据试验模型的不同,将月球着陆器着陆冲击试验分为原尺寸试验（模拟的月球重力场下）和1/6模型试验（地球重力场下）两类,分别介绍了两类模型的结构以及试验模型与着陆器原型机之间缩放关系。分别给出了原尺寸试验和1/6模型试验的试验平台和试验步骤,以及初始试验参数的给定方法。根据试验研究的需要以及月球探测器在月球表面着陆时的真实情况,给出了在地球上进行着陆模式模拟的方法。研究表明两种试验结果之间有良好的一致性,但是这两种试验的花费很高,且对试验场地有较高的要求。再者,由于在试验中对月壤没有太好的模拟方法,试验数据与真实着陆时数据存在一定差异。     

Method based on artificial excitation of characteristic radiation by an electron beam for remote X-ray spectral elemental analysis of surface rocks on atmosphereless celestial bodies

This article, like our previous one [1], is devoted to advanced space technology concepts. It evaluates the potential for developing active systems to conduct a remote elemental analysis of surface rocks on an atmosphereless celestial body. The analysis is based on the spectrometry of characteristic X-rays (CXR) artificially excited in the surface soil layer. It has been proposed to use an electron beam injected from aboard a spacecraft orbiting the celestial body (or moving in a flyby trajectory) to excite the CXR elements contained in surface rocks. The focus is on specifying technical requirements to the parameters of payloads for a global mapping of the composition of lunar rocks from aboard of a low-orbiting lunar satellite. This article uses the results obtained in [2], our first study that shows the potential to develop an active system for a remote elemental analysis of lunar surface rocks using the above method. Although there has been interest in our research on the part of leading national academic institutions and space technology developers in the Soviet Union, the studies were discontinued because of the termination of the Soviet lunar program and the completion of the American Apollo program.