[发明专利]一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法。

背景技术

探测器在小行星表面着陆时相对于小行星表面的姿态被称为小行星探测器着陆姿态。为保证探测器垂直、安全地在小行星表面着陆，不仅需要选择尽量平整的着陆点，降落时探测器的姿态测量和姿态控制则更为重要。

目前，国外主要利用视觉来测量小行星探测器的着陆姿态，如美国的NEAR号探测器(《The landing of the NEAR-Shoemaker spacecraft on asteroid 433 Eros》，Nature，2001，413(6854)：390-393)和日本的“隼鸟号”(《An autonomous navigation and guidance system for MUSES-C asteroid landing》，IAA International conference，2003，52(2-6)：125-131)在分别对“爱神”小行星和“丝川”小行星进行着陆的过程中都使用了光学敏感器测量探测器的着陆姿态。文献(《基于视觉辅助IMU的小行星精确着陆导航方法研究》，中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集，2012) 描述的是视觉信息辅助惯性测量获取探测器着陆姿态的方法，其采用的载荷仍离不开光学敏感器。采用光学敏感器能直观和高精度地测量探测器的着陆姿态，但也有很多缺陷：1、视觉图像信息处理速度较慢，占用计算空间大；2、由于多数行星表层覆盖着一层颗粒极小的尘土（例如火山灰），当尘土厚度较大时，其覆盖的地表真实地形情况会被掩盖，传统的光学姿态测量方式无法穿透尘土对地表进行观测，得到的探测器姿态只能是相对于尘土表面体现出的地貌，如果平整的尘土下存在着岩块、裂缝、空洞等不规则的地形情况，将会使探测器着陆时发生损毁甚至坠毁，造成严重的后果；3、在探测器垂直着陆过程中，由于推进器向下喷射高速运动的气体，这个过程中由于大量尘土被气流冲击扬起，会严重影响光学系统的探测能力，在30m高度时基本上光学敏感器不能工作。

发明内容

本发明提供的一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法，利用探测器上安装的搜捕测量雷达测量小行星探测器的着陆姿态，减少额外的测姿载荷，信号处理速度快，占用计算空间小，方便实现、精度较高、可靠性高，且避免了光照、推进器喷射气体扬起的尘土对姿态敏感器的不利影响。

为了达到上述目的，本发明提供一种小行星探测器着陆姿态的雷达测量方法，该雷达测量方法包含以下步骤：

步骤1、雷达测量三个方向的距离和速度信息；

三个方向是相对于探测器垂直方向等间隔均匀分布，三个方向均匀分布且两两之间夹角固定为θ，与探测器底面垂线的夹角固定且相等；三个方向与小行星表面垂线的夹角θ₁、θ₂和θ₃定义为探测器相对于小行星表面的姿态角；

测量得到三个方向的距离r₁、r₂和r₃，以及三个方向的速度v₁、v₂和v₃；

步骤2、利用距离信息获取姿态；

探测器与小行星表面实际垂直距离无法直接获得，假设为r；

根据数学关系可知：

                         (1)

式（1）中：r、θ₁、θ₂和θ₃为未知量，r₁、r₂和r₃为雷达测得的三个方向相对于行星表面的距离信息，θ为三个方向之间的固定已知夹角；

要得到姿态角θ₁、θ₂和θ₃，需有r、θ₁、θ₂和θ₃之间的具体关系式，根据几何关系可以得到：

                    (2)

其中，

                (3)

                     (4)

     (5)

至此，由式（1）可求出姿态角θ₁、θ₂和θ₃，

                       (6)；