2022年 第9卷 第4期
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2022, 9(4): 359-372.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220074
摘要:
针对小天体引力场建模问题，回顾了不同学者对引力场计算问题的认识与发展，阐释了不同方法的基本原理和不足；探讨了双小行星系统附近的引力场建模技术与双小行星系统动力学的关系，梳理了双小行星系统动力学研究中引力相互作用的建模技术发展历程；展望了小天体引力场建模技术的发展趋势。
针对小天体引力场建模问题，回顾了不同学者对引力场计算问题的认识与发展，阐释了不同方法的基本原理和不足；探讨了双小行星系统附近的引力场建模技术与双小行星系统动力学的关系，梳理了双小行星系统动力学研究中引力相互作用的建模技术发展历程；展望了小天体引力场建模技术的发展趋势。
2022, 9(4): 373-381.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210143
摘要:
近距离飞越小行星可获取小行星的表面图像、测量小行星的光谱、反演小行星物理化学性质。对潜在威胁小行星实施多目标飞越探测任务进行轨道优化设计，分析了潜在威胁小行星穿越黄道面时刻与位置分布，以小行星穿越黄道面时刻作为探测器飞越小行星的时刻，通过波束选择树搜索算法优化求解序贯飞越序列，建立了一种快速有效求解小行星序贯飞越任务轨道的优化方法模型。仿真结果表明，2024—2028年发射的小行星探测器可在黄道面内飞越探测至少18颗潜在威胁小行星，2027年9月发射窗口在10 a任务周期内可飞越21颗潜在威胁小行星。
近距离飞越小行星可获取小行星的表面图像、测量小行星的光谱、反演小行星物理化学性质。对潜在威胁小行星实施多目标飞越探测任务进行轨道优化设计，分析了潜在威胁小行星穿越黄道面时刻与位置分布，以小行星穿越黄道面时刻作为探测器飞越小行星的时刻，通过波束选择树搜索算法优化求解序贯飞越序列，建立了一种快速有效求解小行星序贯飞越任务轨道的优化方法模型。仿真结果表明，2024—2028年发射的小行星探测器可在黄道面内飞越探测至少18颗潜在威胁小行星，2027年9月发射窗口在10 a任务周期内可飞越21颗潜在威胁小行星。
2022, 9(4): 382-390.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220024
摘要:
以双小行星系统66391 Moshup为例，考虑小行星引力场的不规则性，采用多面体–椭球引力场模型研究双小行星系统附近的共振轨道动力学，通过打靶法计算得到探测器的共振轨道，并延拓求解了一系列的共振轨道族，分析其稳定性与分岔特点，基于共振轨道流形设计了同宿转移轨道。研究结果表明：引力场的不对称性导致不存在严格的平面共振轨道，且对轨道的稳定性与分岔特性也存在一定的影响；借助共振轨道的稳定特性是转移轨道设计的一个有效途径。
以双小行星系统66391 Moshup为例，考虑小行星引力场的不规则性，采用多面体–椭球引力场模型研究双小行星系统附近的共振轨道动力学，通过打靶法计算得到探测器的共振轨道，并延拓求解了一系列的共振轨道族，分析其稳定性与分岔特点，基于共振轨道流形设计了同宿转移轨道。研究结果表明：引力场的不对称性导致不存在严格的平面共振轨道，且对轨道的稳定性与分岔特性也存在一定的影响；借助共振轨道的稳定特性是转移轨道设计的一个有效途径。
2022, 9(4): 391-399.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220044
摘要:
在小行星探测任务中，航天器抵达小行星附近后需对小行星的各项基本参数测量，为后续任务提供支持。分析了小行星附近环绕型轨道和飞掠型轨道在小行星测绘方面的性能，采用数值方法分析了不同距离下小行星附近的稳定环绕轨道和双曲线飞掠轨道，提出了考虑光照条件和小行星不规则形状遮挡的覆盖率计算方法，从覆盖率、测绘时间、燃料消耗，以及鲁棒性等方面评价测绘轨道。以近球形小行星Bennu 101955和细长型小行星Eros 433为例，比较分析了其附近绕飞轨道和飞掠轨道的测绘性能，为未来小行星探测中的测绘任务规划提供参考。
在小行星探测任务中，航天器抵达小行星附近后需对小行星的各项基本参数测量，为后续任务提供支持。分析了小行星附近环绕型轨道和飞掠型轨道在小行星测绘方面的性能，采用数值方法分析了不同距离下小行星附近的稳定环绕轨道和双曲线飞掠轨道，提出了考虑光照条件和小行星不规则形状遮挡的覆盖率计算方法，从覆盖率、测绘时间、燃料消耗，以及鲁棒性等方面评价测绘轨道。以近球形小行星Bennu 101955和细长型小行星Eros 433为例，比较分析了其附近绕飞轨道和飞掠轨道的测绘性能，为未来小行星探测中的测绘任务规划提供参考。
2022, 9(4): 400-406.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220025
摘要:
深度学习算法对小天体陨石坑等导航陆标的识别率比传统算法高，但难以实现在多种图像变化下的匹配，针对此问题提出一种基于特征描述符的识别预测框描述方法，并完成识别结果的匹配。该算法首先确定识别预测框圆形支撑区域，构建具有旋转平移、尺度和亮度不变性的10维特征描述符，采用描述符向量间相对距离对预测框匹配。仿真结果表明该算法对不同变换下图像都具有较强的鲁棒性，预测框正确匹配率达到90%以上，可为小天体探测导航提供技术支持。
深度学习算法对小天体陨石坑等导航陆标的识别率比传统算法高，但难以实现在多种图像变化下的匹配，针对此问题提出一种基于特征描述符的识别预测框描述方法，并完成识别结果的匹配。该算法首先确定识别预测框圆形支撑区域，构建具有旋转平移、尺度和亮度不变性的10维特征描述符，采用描述符向量间相对距离对预测框匹配。仿真结果表明该算法对不同变换下图像都具有较强的鲁棒性，预测框正确匹配率达到90%以上，可为小天体探测导航提供技术支持。
2022, 9(4): 407-416.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220019
摘要:
针对目前陆标匹配方法难以应对小天体附近极端观测条件的问题，提出了一种陆标鲁棒匹配方法。对通过立体光度测量（Stereo-Photo Clinometry，SPC）法生成的地形陆标的匹配误差进行了理论分析，探讨了陆标的位置误差以及相机的位姿估计误差对匹配结果的影响；基于误差分析对陆标中的表面点进行了优化选取，并提出了加权归一化互相关（Weighted Normalized Cross-Correlation，WNCC）方法，以提高匹配精度、鲁棒性和计算效率；利用高保真度的合成图像序列对比分析了WNCC算法与目前小天体探测任务中广泛使用的归一化互相关（Normalized Cross-Correlation，NCC）算法在极端的尺度、视角和光照变化等条件下的匹配性能。数值统计结果表明，WNCC算法能够高效、鲁棒地为导航系统提供精确的陆标匹配信息。
针对目前陆标匹配方法难以应对小天体附近极端观测条件的问题，提出了一种陆标鲁棒匹配方法。对通过立体光度测量（Stereo-Photo Clinometry，SPC）法生成的地形陆标的匹配误差进行了理论分析，探讨了陆标的位置误差以及相机的位姿估计误差对匹配结果的影响；基于误差分析对陆标中的表面点进行了优化选取，并提出了加权归一化互相关（Weighted Normalized Cross-Correlation，WNCC）方法，以提高匹配精度、鲁棒性和计算效率；利用高保真度的合成图像序列对比分析了WNCC算法与目前小天体探测任务中广泛使用的归一化互相关（Normalized Cross-Correlation，NCC）算法在极端的尺度、视角和光照变化等条件下的匹配性能。数值统计结果表明，WNCC算法能够高效、鲁棒地为导航系统提供精确的陆标匹配信息。
2022, 9(4): 417-426.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220041
摘要:
针对小天体探测高帧率、高分辨率和高测距精度需求，深入分析了激光测绘导航方法现状，提出了一种混合固态激光三维地形测绘与导航一体化设计方法。通过单光子面阵探测器与532 nm光纤激光器实现高成像帧率、二维音圈电机快反镜多模式扫描实现大视场和亚像素成像分辨率，采用达曼光栅分束器实现激光光束高精度扩束与衍射。将其应用到小天体探测中，结果表明：激光测距精度优于3 cm（3σ），帧频4 Hz，成像分辨率达到1 100 × 1 100。所提出的方法可兼顾地形测绘与导航，实现多功能轻小型一体化设计，可极大地降低资源消耗，对中国小天体探测任务的实施具有良好的指导意义。
针对小天体探测高帧率、高分辨率和高测距精度需求，深入分析了激光测绘导航方法现状，提出了一种混合固态激光三维地形测绘与导航一体化设计方法。通过单光子面阵探测器与532 nm光纤激光器实现高成像帧率、二维音圈电机快反镜多模式扫描实现大视场和亚像素成像分辨率，采用达曼光栅分束器实现激光光束高精度扩束与衍射。将其应用到小天体探测中，结果表明：激光测距精度优于3 cm（3σ），帧频4 Hz，成像分辨率达到1 100 × 1 100。所提出的方法可兼顾地形测绘与导航，实现多功能轻小型一体化设计，可极大地降低资源消耗，对中国小天体探测任务的实施具有良好的指导意义。
2022, 9(4): 427-437.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220010
摘要:
针对小天体探测器着陆段光学图像导航难以开展实验验证等问题，基于虚拟现实设计小天体地形动态模拟与着陆视景仿真系统，实现了探测器姿态设计及着陆序列图像获取。运用三维建模技术建立小天体模型，利用加权最小二乘法实现模型网格光顺；采用线性插值处理贴图，通过球面映射与立体投影映射相结合实现纹理映射；开发虚拟视景仿真场景，根据旋转矩阵法实现探测器姿态设计。实验表明：仿真系统能够满足探测器着陆段图像导航验证需求，可以实现对小天体地形动态观测及着陆图像获取，图形质量高、实时性好，通过具体实例仿真验证了该系统的有效性。
针对小天体探测器着陆段光学图像导航难以开展实验验证等问题，基于虚拟现实设计小天体地形动态模拟与着陆视景仿真系统，实现了探测器姿态设计及着陆序列图像获取。运用三维建模技术建立小天体模型，利用加权最小二乘法实现模型网格光顺；采用线性插值处理贴图，通过球面映射与立体投影映射相结合实现纹理映射；开发虚拟视景仿真场景，根据旋转矩阵法实现探测器姿态设计。实验表明：仿真系统能够满足探测器着陆段图像导航验证需求，可以实现对小天体地形动态观测及着陆图像获取，图形质量高、实时性好，通过具体实例仿真验证了该系统的有效性。
2022, 9(4): 438-446.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220054
摘要:
针对近地小行星精确撞击任务需求，提出了一种小行星高精度撞击自主导航、制导与控制（Guidance Navigation & Control，GNC）方法，包括高精度的小行星中心视线提取、基于小行星中心视线测量的高精度自主相对导航及迭代预测制导。该设计利用小行星中心视线测量实现了在垂直于视线方向上撞击器相对于小行星位置和速度的精确估计，在沿视线方向上撞击器相对位置和速度存在误差的情况下利用迭代预测制导实现了高精度撞击。数值仿真表明，所提出的方案能够实现50 m级近地小行星4 m级撞击精度，满足了任务要求。
针对近地小行星精确撞击任务需求，提出了一种小行星高精度撞击自主导航、制导与控制（Guidance Navigation & Control，GNC）方法，包括高精度的小行星中心视线提取、基于小行星中心视线测量的高精度自主相对导航及迭代预测制导。该设计利用小行星中心视线测量实现了在垂直于视线方向上撞击器相对于小行星位置和速度的精确估计，在沿视线方向上撞击器相对位置和速度存在误差的情况下利用迭代预测制导实现了高精度撞击。数值仿真表明，所提出的方案能够实现50 m级近地小行星4 m级撞击精度，满足了任务要求。
2022, 9(4): 447-454.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220042
摘要:
针对传统轮式移动探测器难以适应小天体弱引力环境的问题，以立方体构型的跳跃式探测器为对象，分析了弱引力起跳模式，提出表面移动单步弹跳策略，以发挥其越障能力。同时针对这一特性提出变步长A*算法规划探测器表面移动路径，实现避障及越障巡视。仿真结果表明，探测器能够有效越过地形障碍，并且新算法减少了路径节点，对于高密度障碍地形计算效率更高。
针对传统轮式移动探测器难以适应小天体弱引力环境的问题，以立方体构型的跳跃式探测器为对象，分析了弱引力起跳模式，提出表面移动单步弹跳策略，以发挥其越障能力。同时针对这一特性提出变步长A*算法规划探测器表面移动路径，实现避障及越障巡视。仿真结果表明，探测器能够有效越过地形障碍，并且新算法减少了路径节点，对于高密度障碍地形计算效率更高。
