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为保证探测器能够安全着陆后正常开展探测,考虑探测器着陆能力、着陆后初始化及开展工作的光照时段、测控弧段需求,同时兼顾能源代价。本节分别从安全着陆、月面初始化、长期工作、代价等4个约束开展分析。
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1)坡度
着陆区内坡度条件应足够平缓以保证探测器可通过避障安全着陆于月面。根据着陆器的设计状态,要求着陆区坡度小于某一阈值
$ {M}_{\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}} $ 〔非全区域,考虑制导、导航 与 控制(Guidance navigation and control ,GNC)在轨避障能力允许部分区域超过该坡度阈值$ {M}_{\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}} $ 〕。为提高计算精度,坡度计算采用3阶反距离平方权,为
$$ {\alpha }_{\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}}=\mathrm{arctan}\sqrt{{f}_{x}^{2}+{f}_{y}^{2}} $$ (1) $$ {f}_{x}=\frac{{z}_{i+1,j+1}-{z}_{i+1,j-1}+2\left({z}_{i,j+1}-{z}_{i,j-1}\right)+{z}_{i-1,j+1}-{z}_{i-1,j-1}}{8g} $$ (2) $$ {f}_{y}=\frac{{z}_{i+1,j-1}-{z}_{i-1,j-1}+2\left({z}_{i+1,j+1}-{z}_{i-1,j}\right)+{z}_{i+1,j+1}-{z}_{i-1,j+1}}{8g} $$ (3) 其中:
$ {z}_{i,j} $ 为当前被分析点高程值;$ {z}_{i\pm 1,j\pm 1} $ 为被分析点周围3 × 3网格点的剩余8个点高程值;$ g $ 为网格粒度。2)着陆精度
着陆区大小应保证在GNC现有着陆精度下,探测器可落在着陆区范围内。经过选址和GNC设计的迭代并综合考虑各项资源代价,假定GNC可实现着陆精度
$ A $ m。为匹配敏感器视场、地图画幅,引入方形半径的概念①,要求着陆区范围不小于$2A\mathrm\;{m}\times 2A\mathrm\;{m}$ ,即$$ {d}_{\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{e}}\geqslant 2A $$ (4) 3)规避小型撞击坑和石块
目前已获取的月球南极地区熟悉高程图(Digital Elevation Mode,DEM)最高分辨率5 m[11],5 m以上的障碍通过坡度来判别,5 m以下的障碍无法提前识别,由GNC在轨自主判断,该条件不对选址提出约束。需要说明的是,若后续获得了更高分辨率的光学图像,可对预选结果提前确认,以剔除危险区域。
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着陆后整个着陆区域(因为探测器可能着陆到着陆区的任意位置,所以要求整个区域)连续光照时间应满足一定的时长阈值,以保证在阴影期来临之前完成探测器初始化任务,其项目较多且过程复杂。根据任务飞行程序设计结果,给定着陆后初始化任务耗时天数阈值
$ D $ ,即要求整个着陆区在着陆后有连续大于该阈值天数$ D $ 的光照,即$$ {T}_{\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{e}}\geqslant D $$ (5) -
1)光照条件
月球极区存在大于1个月的长期光照区,这一点和中低纬度地区存在典型差别,长期光照区作为一种稀缺环境资源应充分寻找并加以利用,因此期望着陆区临近区域(几百m范围内)有长时间连续光照的位置,以保证探测器在着陆后移动到长期光照区实现长时间工作。长时间光照的宏观要求是在1 a中太阳高度角最高的3个月一直有光照,结合仿真结果筛选合适的时长天数
$ {D}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}} $ ,即要求着陆区临近区域存在一年中有连续$ {D}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}} $ 天及以上光照的位置,即$$ {T}_{\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{e}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}}\geqslant {D}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}} $$ (6) 2)测控条件
单站对中继星可见且中继星可见月面的情况下,南极不同地区/时段的测控时长相当;针对特定时段(无论是月面初始化还是月面长期工作阶段)的测控需求(含关键时段的国内双站共视),通过中继星轨道设计可匹配其需求,所以该条件并不对选址提出约束。
3)探测器移动
考虑探测器坡度适应能力,在满足安全着陆坡度条件下,可以满足探测器行走需求,即使遇到无法通过的石块、坑等障碍,也可通过移动规划/避障进行应对,该条件不对选址构成约束。
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着陆区的光照属性决定了探测器不仅要定点着陆,还要定时着陆;若在预定的着陆时刻探测器异常无法着陆,需推迟着陆,变轨代价也应一并考虑;此外,尽量选择距离含水阴影坑距离较近的区域,节省推进剂的消耗。
通过上述分析,探测器着陆区选址约束为
1)着陆区坡度小于安全阈值
$ {M}_{\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}} $ ;2)整个着陆区在着陆后有连续光照天数
$ D $ ;3)着陆区临近区域存在一年中有连续
$ {D}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}} $ 天光照的位置;4)着陆区范围不小于
$2A\;\mathrm{m}\times 2A\;\mathrm{m}$ 。月球南极地形崎岖,坡度阈值越小,连续光照时间要求越长,能够筛选的安全区域越小。因此,着陆区越大,前3项条件越难满足,尤其是第2项,因为月球极区极低的太阳高度角,小的地形起伏也容易造成地形阴影,所以很难保证整个区域都有光照。第4项条件即为着陆区大小的约束,和前3项条件是“此消彼长”的关系,结合在一起比较苛刻,能全部满足这些条件的区域相当有限。
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基于上述原则和方法,采用LRO官网发布的DEM数据、NASA发布的平均光照率图、科学探测数据开展着陆区筛选工作。对于南纬85°以上区域,筛选结果逐步收敛。
1)坑外安全着陆点600多万个,如图4所示,本节以坡度小于8°为例筛选。
需要说明的是,对于南纬87.5°以上区域,采用10 m分辨率的DEM得到的安全着陆区比利用5 m分辨率获得的更多(坡度基线越长,计算的坡度越小),初筛阶段为保证不遗漏符合要求的点,85°以上均使用10 m分辨率DEM,安全着陆区共6196407个,如表1和图4所示。
表 1南纬85°以上区域坡度安全性筛选情况
Table 1.Filter results of safe slope over lunar 85° S
参数 值 筛选区域 南极85°以上 区域x值范围/m [–151 650,151 650] 区域y值范围/m [–151 650,151 650] 安全区域地图分辨率/m 10 安全着陆区数量 6 196 407 2)坑外既满足安全着陆又满足长期光照的位置,主要集中在5个区域,如图5和表2所示。
表 2满足安全着陆及长期光照区域列表
Table 2.List of continuous lighting and safe landing sites
序号 位置 区域1 Haworth 撞击坑北部 区域2 Shoemaker 撞击坑东北部 区域3 Shackleton 撞击坑西北部 区域4 Shackleton 撞击坑西部 区域5 Shackleton 撞击坑东南部 3)在着陆区筛选的同时,结合地形、温度、中子、光谱和雷达等多源遥感数据以及坡度计算结果,筛选出12个可能有水的永久阴影坑位置,如图6和表3所示。
图 6多源数据筛选的可能含水阴影坑分布图
Figure 6.Filtering results of possible watery shadow craters by remote sensing data
表 3多源数据筛选的可能含水阴影坑分布位置
Table 3.Filtering results of possible watery shadow crater positions by remote sensing data
序号 阴影坑名称 中心纬度/(°) 中心经度/(°) 1 CraterR –88.743 169.223 2 Shackleton –89.669 129.717 3 Shoemaker –88.14 45.91 4 CraterF –87.585 –47.289 5 Faustin –87.18 84.31 6 CraterL –86.388 31.839 7 Sverdrup –88.27 –145.047 8 Haworth –87.45 –5.17 9 CraterM1 –87.128 40.73 10 Cabeus 3 –85.415 –52.159 11 Wiechert J –85.021 –177.639 12 Ibn Bajja –86.259 –75.103 经初步分析,筛选出的安全着陆区与永久阴影坑相对距离范围在数km到数10 km量级,同一着陆区存在多个可达的永久阴影坑,后续将进一步细致划分和对比择优。
随后,需结合图5的安全着陆及长期光照区以及图6的永久阴影坑筛选结果,综合考虑工程实施难度、科学目标要求等方面进行综合研判,未来需在具体工程任务中细致考虑。
Landing Site Selection Method of Lunar South Pole Region
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摘要:月球南极极区丰富的资源和光照条件,尤其是潜在的水冰,使其成为当前各国开展探测活动的一大热点。由于南极地区地形崎岖、光照变化迅速的特点,使得探测任务着陆区的选址至关重要。选址结果直接决定了探测任务的成败,也是整体方案过程中各分系统开展设计的重要依据。围绕月球南极探测着陆区选址,结合月球和太阳星历的几何关系、月球南极地形和光照特点,给出了选址的影响因素及约束,提出了从工程角度考虑选址的方法,通过不同分辨率的数据源,利用先粗筛后精筛的策略确定优选着陆区。最后,通过算例初步给出了5个区域(Haworth北部、Shoemaker东北部和Shackleton西北部、西部及东南部),可为中国未来月球探测任务设计工作提供参考。Abstract:Landing site selection is an important part of the design of an exploration mission. The correctness of site selection result directly determines whether the detector can successfully complete the mission, and also determines the important basis for the design of each sub-system in the program design process. In this paper, the site selection method of the lunar south pole exploration landing area was introduced, the topography and illumination characteristics of the lunar south pole were analyzed, the principle of site selection was formulated, the influencing factors and constraints of site selection were analyzed in detail, and introduces the engineering the site selection method using coarse-to-precise strategy, combined with the site selection results, and 5 landing sites were selected initially, which will provide reference for the design of future lunar exploration missions.
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Key words:
- landing site/
- site selection/
- lunar exploration/
- lunar south pole
Highlights● Site selection method of the lunar south pole exploration landing area was proposed in this paper. ● Topography and illumination characteristics of the lunar south pole were illustrated. ● Principle, constraints and results of landing site selection were comprehensively performed. ①区域方形半径为 R,表示以该区域中心点为基准,向地图系+ X、– X、+ Y、– Y方向分别外扩 R,即区域大小为2 R× 2 R的正方形。 -
表 1南纬85°以上区域坡度安全性筛选情况
Table 1Filter results of safe slope over lunar 85° S
参数 值 筛选区域 南极85°以上 区域x值范围/m [–151 650,151 650] 区域y值范围/m [–151 650,151 650] 安全区域地图分辨率/m 10 安全着陆区数量 6 196 407 表 2满足安全着陆及长期光照区域列表
Table 2List of continuous lighting and safe landing sites
序号 位置 区域1 Haworth 撞击坑北部 区域2 Shoemaker 撞击坑东北部 区域3 Shackleton 撞击坑西北部 区域4 Shackleton 撞击坑西部 区域5 Shackleton 撞击坑东南部 表 3多源数据筛选的可能含水阴影坑分布位置
Table 3Filtering results of possible watery shadow crater positions by remote sensing data
序号 阴影坑名称 中心纬度/(°) 中心经度/(°) 1 CraterR –88.743 169.223 2 Shackleton –89.669 129.717 3 Shoemaker –88.14 45.91 4 CraterF –87.585 –47.289 5 Faustin –87.18 84.31 6 CraterL –86.388 31.839 7 Sverdrup –88.27 –145.047 8 Haworth –87.45 –5.17 9 CraterM1 –87.128 40.73 10 Cabeus 3 –85.415 –52.159 11 Wiechert J –85.021 –177.639 12 Ibn Bajja –86.259 –75.103 -
[1] 杜宇,盛丽艳,张熇,等. 月球水冰赋存形态分析及原位探测展望[J]. 航天器环境工程,2019,36(6):607-614.doi:10.12126/see.2019.06.012DU Y,SHENG L Y,ZHANG H,et al. Analysis of the occurrence mode of water ice on the moon and the prospect of in-situ lunar exploration[J]. Spacecraft Environment Engineering,2019,36(6):607-614.doi:10.12126/see.2019.06.012 [2] 季节, 张伟伟, 杨旭, 等. 月球极区水冰采样探测技术综述[J]. 深空探测学报(中英文), 2022, 9(2): 101-113.JI J, ZHANG W W, YANG X, et al. Overview of water ice sampling and detection techniques in the lunar polar region[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2022, 9(2): 101-113. [3] 徐琳, 刘建忠, 邹永廖, 等. 月球表面水冰的探测和意义[J]. 空间科学学报, 2003, 23(1): 42-49.XU L, LIU J Z, ZOU Y L, et al. Discovery of water ice on the moon surface and its significance[J]. Chinese Journal of Space Science, 2003, 23(1): 42-49. [4] 贾瑛卓,覃朗,徐琳,等. 月球水冰探测[J]. 深空探测学报(中英文),2020,7(3):290-296.JIA Y Z,QIN L,XU L,et al. Lunar water-ice exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration,2020,7(3):290-296. [5] 裴照宇,刘继忠,王倩,等. 月球探测进展与国际月球科研站[J]. 科学通报,2020,65:2577-2586.doi:10.1360/TB-2020-0582PEI Z Y,LIU J Z,WANG Q,et al. Overview of lunar exploration and International Lunar Research Station[J]. Chinese Science Bulletin,2020,65:2577-2586.doi:10.1360/TB-2020-0582 [6] 张熇,杜宇,李飞,等. 月球南极探测着陆工程选址建议[J]. 深空探测学报(中英文),2020,7(3):232-240.ZHANG H,DU Y,LI F,et al. Proposals for lunar south polar region soft landing sites selection[J]. Journal of Deep Space Exploration,2020,7(3):232-240. [7] 肖龙,乔乐,肖智勇,等. 月球着陆探测值得关注的主要科学问题及着陆区选址建议[J]. 中国科学:物理学力学天文学,2016,46:029602.doi:10.1360/SSPMA2015-00507XIAO L,QIAO L,XIAO Z Y,et al. Major scientific objectives and candidate landing sites suggested for future lunar explorations[J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica,2016,46:029602.doi:10.1360/SSPMA2015-00507 [8] 张弘,盛丽艳,马继楠,等. 月球极区着陆环境特性对比及探测建议[J]. 航天器环境工程,2019,36(6):615-621.doi:10.12126/see.2019.06.013ZHANG H,SHENG L Y,MA J N,et al. Comparison of the landing environments in lunar poles and some suggestions for probing[J]. Spacecraft Environment Engineering,2019,36(6):615-621.doi:10.12126/see.2019.06.013 [9] 李飞,张熇,吴学英,等. 月球南极着陆区关键特性分析[J]. 航天器工程,2015,24(1):103-110.doi:10.3969/j.issn.1673-8748.2015.01.017LI F,ZHANG H,WU X Y,et al. Analysis of key characteristics of lunar south pole for landing[J]. Spacecraft Engineering,2015,24(1):103-110.doi:10.3969/j.issn.1673-8748.2015.01.017 [10] 吴伟仁,于登云,王赤,等. 月球极区探测的主要科学与技术问题研究[J]. 深空探测学报(中英文),2020,7(3):223-231.WU W R,YU D Y,WANG C,et al. Research on the main scientific and technological issues on lunar polar exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration,2020,7(3):223-231. [11] SMITH D E,ZUBER M T,NEUMANN G A,et al. Summary of the results from the lunar orbiter laser altimeter after seven years in lunar orbit[J]. Icarus,2017,283:70-91.doi:10.1016/j.icarus.2016.06.006 [12] OSTRO S J,CAMPBELL D B,SIMPSON R A,et al. Europa,Ganymede,and Callisto:new radar results from Arecibo and Goldstone[J]. Journal of Geophysical Research:Planets,1992,97(E11):18227-18244.doi:10.1029/92JE01992