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  深空探测学报  2017, Vol. 4 Issue (4): 301-309  DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.001
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引用本文 

于正湜, 朱圣英, 崔平远, 刘延杰. 小天体表面移动技术研究进展[J]. 深空探测学报, 2017, 4(4): 301-309. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.001.
YU Zhengshi, ZHU Shengying, CUI Pingyuan, LIU Yanjie. Research Progress of Small Body Surface Motion Technologies[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2017, 4(4): 301-309. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.001.

文章历史

收稿日期:2017-05-14
修回日期:2017-08-10
小天体表面移动技术研究进展
于正湜1,2,3, 朱圣英1,2,3, 崔平远1,2,3, 刘延杰1,2,3    
1. 北京理工大学 宇航学院,北京 100081;
2. 深空自主导航与控制工信部重点实验室,北京 100081;
3. 飞行器动力学与控制教育部重点实验室,北京 100081
摘要: 基于已实施的小天体探测任务和未来小天体表面移动探测技术的发展趋势,阐述了小天体表面移动技术研究现状。根据小天体的特殊动力学环境和任务需求,总结了小天体表面移动技术的主要问题;归纳分析了包括小天体引力场建模与表面运动特性分析、小天体表面弹跳技术以及弱引力环境下的导航与制导技术在内的小天体表面移动关键技术,并介绍了这些关键技术的研究进展;对上述关键技术的未来研究热点和发展趋势进行了展望。
关键词: 小天体    表面移动    构型设计    导航与制导    
Research Progress of Small Body Surface Motion Technologies
YU Zhengshi1,2,3, ZHU Shengying1,2,3, CUI Pingyuan1,2,3, LIU Yanjie1,2,3     
1. School of Aerospace Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;
2. Key Laboratory of Autonomous Navigation and Control for Deep Space Exploration,Ministry of Industry and Information Technology,Beijing 100081,China;
3. Key Laboratory of Dynamics and Control of Flight Vehicle,Ministry of Education,Beijing 100081,China
Abstract: Based on small body surface exploration missions carried out so far and future development trends of small body surface exploration technology, the necessity and key technologies of small body surface motion are elaborated. Firstly, the difficulties and challenges encountered in small body surface explorations are summarized. Then, thekey technologies related to the small body surface motion are outlined, and the research progress of these technnologies are surveyed. Finally, future research focuses and development trends of small body landing technologies are discussed.
Key words: small body    surface motion    configuration design    navigation and guidance    
0 引 言

随着人类航天科技的发展,小天体探测已经逐渐成为国际航天领域的热点[1]。小天体探测对回答太阳系起源与演化、生命起源与进化等问题具有极为重要的科学价值,同时,小天体独特的环境也为航天新技术的验证提供了有利条件。科学和技术两方面的丰厚回报使得小天体成为现阶段人类开展深空探测活动的重要目标。

小天体表面探测的开展可以从目标小天体获得更多精确可靠的数据,也是未来人类开发利用小天体资源的前提条件。表面移动技术是开展小天体表面探测的关键,开发先进的移动技术有助于探测器在科学价值较高的复杂地形区域进行安全移动,从而增加探测活动的科学回报。

相比于大的行星天体,小天体具有体积小、质量轻、形状不规则等特点,这导致其引力场不规则且十分微弱[2],在这种环境下,传统的轮式探测器不再适用。小天体表面动力学环境复杂、先验信息匮乏,表面运动机理研究、探测器构型设计、表面弹跳技术和导航制导与控制等是实现小天体表面安全、精确移动的关键技术。

本文首先根据小天体的特殊动力学环境和任务需求,总结了小天体表面移动技术的主要问题;进而归纳分析了表面移动关键技术,包括小天体引力场建模与表面运动特性分析,小天体表面弹跳技术以及弱引力环境下的导航与制导技术,并介绍了这些关键技术的研究进展;最后对上述关键技术的未来研究热点和发展趋势进行了展望。

1 小天体表面移动的主要问题

小天体形态各异,附近引力场极不规则;引力微弱,表面不能提供足够的摩擦力,传统的轮动式探测器无法有效运动;表面地形复杂,缺乏大面积的平坦区域,且逃逸速度小。上述问题给小天体表面探测任务带来了难度和挑战。

1.1 动力学环境复杂

小天体动力学环境主要有以下几个特征:①周围引力场弱且分布不规则;②对小天体的观测不完备导致未知参数多;③存在太阳光压等扰动力;④小天体自旋状态比较复杂,有超快自旋、极慢自旋,甚至非主轴自旋等[3]。上述特性使小天体表面的动力学环境异常复杂,不但给动力学精确建模造成困难,也给探测器的运动控制带来巨大的挑战。

在弱引力环境下,探测器在小天体表面移动过程中可能出现表面弹跳、滑动和滚动等多种运动形式,多种运动相互耦合作用给探测器的导航与控制提出了更高的要求。

1.2 表面移动难度大

传统的轮动式探测器在弱引力环境下存在着各种各样的问题,例如微重力对探测器牵引性能的影响、干扰力带来的不可控状态以及微重力环境下探测器移动缓慢等。因此需要研究新的适用于小天体表面的运动形式。移动方案的设计需要考虑小天体表面引力加速度微弱、逃逸速度小、地形环境复杂等多重因素的影响,并紧密结合表面探测任务的需求[4]

1.3 地形环境复杂

为了对有科学价值的区域进行研究和取样,需要探测器能够在小天体表面进行安全移动。具有较高科学价值的目标点往往位于危险区域附近,如陨石坑边缘、悬崖附近、崎岖不平的山地等[5],为了实现在具有科学价值的复杂地形区域完成探测任务、增加探测活动的科学回报,未来的小天体探测器必须具备自主障碍检测与规避的能力。

2 小天体表面移动的关键技术

针对小天体表面动力学环境复杂、表面移动难度大和地形环境复杂等难点问题,为实现小天体表面安全、精确移动,需解决小天体引力场建模与表面运动特性分析、小天体表面弹跳技术、弱引力环境下的导航与制导等关键技术。

2.1 小天体引力场建模与表面运动特性分析

引力场的精确建模是研究和分析探测器在小天体附近运动行为的基础。与大行星相比,小天体形态各异,形状不规则,这使得经典的球谐函数模型在邻近小天体的空间范围内难以收敛,难以对小天体周围的引力场进行全局有效建模[6]

在针对小天体的引力场建模方法的研究中,比较常见的是通过三维模型来逼近空间小天体形状,并通过求体积分的方法给出引力势函数解析表达式,对引力势函数求关于位置的一阶偏导数,可以得到引力加速度的解析表达式。三维模型逼近方法中,比较典型的是三轴椭球模型,这种模型采用三轴椭球体来逼近小天体形状,以椭球积分的形式构造引力势函数[7]。三轴椭球模型逼近小天体形状,存在较大误差,因此该模型精度较低,难以对某一颗特定小天体进行精确建模,但是它的形式简单,易于构造,对于动力学问题,很多情况下可以直接给出解析解,且能够反映小天体附近引力场分布不均匀的特点,因此适用于针对小天体的一些普适性、前瞻性研究。

为了能够获得精度更高的引力场模型,Werner和Scheeres提出了多面体模型[8-9]。多面体模型采用多面体来逼近空间任意形状不规则的天体,然后通过线积分和面积分来构造引力势函数,从而得到引力场模型。采用多面体模型可以对某个特定小天体进行引力场建模,其精度取决于多面体顶点和面的数量。该方法的缺点在于建模过程中忽略了小天体不均匀分布带来的影响,而且计算量相对较大。多面体模型应用前提在于对小天体形状和密度的精确估计,Miller等采用地面天文观测结合光谱分析的方法给出小天体多面体模型及密度的确定方法,该方法使得通过地面天文观测构建满足精度要求的多面体引力场模型成为可能[10]

Park等提出了采用一定数量的立方体或者球体单元来逼近小天体形状,然后采用有限元的方法计算小天体附近引力场模型的方法。该方法可以通过改变单一元素的密度来表征小天体质量的不均匀分布。此外,在该模型下,还可以通过小天体形状、辐射的量测值和先验密度分布信息,来估计小天体的密度分布[11]。Zeng等根据外部引力平衡点,构造了小天体的偶极子模型,并提出一种简单的等效方法,建立了偶极子模型与小天体引力场之间的关系[12]

对于形状接近球形的小天体,最经典的引力场建模方法是球谐函数法,该方法通常采用勒让德多项式逼近引力势函数,形式简单,计算量小,通过在轨飞行数据可以更进一步确定各阶次的球谐系数,便于进行高精度的引力场建模。对于没有绕飞任务的小天体来说,由于没有轨道数据,无法精确给出各阶次球谐系数,此时可以将小天体近似成三轴椭球体,进而推导球谐系数的解析表达式[13]。对于形状不规则的小天体来说,受勒让德多项式收敛条件的限制,传统球谐函数仅在布里渊球以外的范围收敛,当进行小天体表面探测任务时,该模型失效[14]。为了克服经典球谐函数模型在形状不规则小天体附近的不收敛问题,有学者提出了椭球谐函数模型。椭球谐函数模型计算复杂,椭球谐系数求取难度大,这给该模型的应用带来了困难。为此,Dechambre和Scheeres等从球谐系数入手,提出了两种系数间的转换方法,从而简化了椭球谐函数模型的计算过程[15]

通过对传统球谐函数的引力势函数表达式进行微调,可以改变勒让德多项式的收敛条件,得到内球谐引力场模型,该模型可以确保引力势函数的表达式在与中心小天体相切的球体范围内收敛[16],内球谐系数可以通过任意标准模型,由最小二乘估计得到。Takahashi等将传统球谐函数和内球谐函数相结合,并通过求解泊松方程连接两种模型之间的空白区域,从而得到了小天体附近全局有效的球谐函数引力场模型[17]

一些学者通过将小天体形状抽象成空间规则几何体进行引力场建模,并对其表面运动机理展开了深入探讨。Guibout等构建了一个均匀旋转的均质三轴椭球模型,通过对拉格朗日运动方程进行归一化,找到了这一类小天体表面的三组平衡点,并给出了其各自稳定的条件;由稳定性条件可知,三组平衡点的稳定性不能同时成立[18]。Bellerose等在椭球模型的基础上,建立了碰撞动力学方程,分析了小天体表面参数对探测器运动轨迹的影响,并通过数值仿真,研究了稳定平衡点和不稳定平衡点周围,探测器的轨迹分布情况。数值仿真结果如图 1所示,可以发现,在扰动因素作用下,探测器在稳定的平衡点附近周期性跳跃,而以弹跳的方式远离不稳定平衡点[19]。Liu等采用一个旋转的均质立方体作为小天体模型,给出了忽略摩擦情况下立方体表面的平衡点分布,以及有摩擦情况下质点不从表面逃逸的条件[20]

图 1 平衡点附近运动轨迹 Fig. 1 Trajectories near the equilibrium points

Yu等修正了多面体模型边界处的引力势函数奇异问题,利用Bézier插值曲面覆盖多面体表面的方法避免了表面运动轨迹跨越相邻侧面的边界时可能产生的速度违约问题,进而对粒子在小天体表面的运动行为进行了归纳和分析[21],并研究了下降轨迹与释放高度的关系;通过蒙特卡洛仿真发现极点附近是小天体表面最稳定的区域,选择这里作为目标着陆区域可以有效限制探测器的轨迹偏移[22]。多面体模型下探测器运动轨迹如图 2所示。

图 2 多面体模型表面运动轨迹 Fig. 2 Trajectories under polyhedron model

Yu等预测了小行星Apophis在2029年与地球交会期间的表面变化情况,提出一种两阶段法模拟小天体表面颗粒的运动,并仿真分析了不同自旋方向下Apophis表面多个位置处粒子的运动演化轨迹[23]。Jiang等研究了小天体表面颗粒物质在光滑和非光滑条件下的运动特点,以小行星6489 Golevka为例,分析了平坦区域、凹形区域和凸形区域下的运动轨迹分布[24]

探测器的弹跳移动轨迹会受地形参数的影响,Biele等以彗星为背景进行了相关研究,并进行了物理仿真试验[25]。此后,又在考虑了载荷不对称情况及表面构成物影响的情况下,分析了探测器与小天体表面接触动力学[26]

2.2 小天体表面弹跳技术

在小天体不规则弱引力环境下,传统的轮式移动方式不再适用,因此已实施及规划的小天体探测任务中,都采用了弹跳式移动的策略。本节在小天体运动机理分析的基础上,对已有的小天体探测器的表面弹跳技术进行回顾,介绍其设计方案和实施效果。

前苏联1988年发射的用于探测火卫一的“Phobos 2号”探测器携带了一个弹跳式探测器“PROP-F”,这是第一个包含弹跳探测器的太空任务。“PROP-F”的构造如图 3(a)所示,其主体为半球形,底部安装有支撑架,可以用来衰减着陆时的撞击能量,并防止探测器主体在着陆时发生翻滚,其技术参数如表 1所示。“PROP-F”使用电推动器推动弹簧的方式来实现自身的弹跳移动,每次弹跳过程中,伴有调向杆进行姿态调整[27]。然而,在“PROP-F”投放之前,该任务主探测器与地面失联,最终导致任务失败,但这种弹跳探测器的概念对小天体探测具有很高的参考价值[28]

图 3 小天体表面弹跳式探测器 Fig. 3 Hoppers for small body surface exploration

MINERVA是日本“隼鸟号”(Hayabusa)主探测器搭载的表面弹跳机器人,但不参与采样返回主任务,其构型如图 3(b)所示。MINERVA半径为120 mm,质量仅为591 g,载荷包括3个CCD相机、太阳传感器和温度计。MINERVA的驱动装置为扭矩电机,可以提供小于10 cm/s的跳跃初速度。文献[29]基于MINERVA探测器建立了小天体表面弹跳过程动力学,并分析了其在不同环境参数下的弹跳性能。2005年11月,MINERVA由“隼鸟号”主探测器从约200 m高度释放,却与目标小行星Itokawa错失。尽管如此,MINERVA在与主探测器分离后仍然存活了18 h,自控系统运行良好,并与主探测器实现了数据传输[30]

表 1 PROP-F技术参数 Table 1 Parameters of PROP-F

“隼鸟2”任务于2014年12月发射,对C类小行星1999 JU3进行采样返回探测。探测器预计2018年6月到达1999 JU3小行星,进行为期一年半的探测,然后于2019年12月返回,2020年12月到达地球[31]。“隼鸟2”任务作为“隼鸟”任务的延续,携带有3个MINERVA-2着陆机器人。此外,“隼鸟2”任务中,日本宇航局与德国宇航中心共同研发了具有自调向机构的弹跳式探测器MASCOT[32-33],其构型如图 3(c)所示。MASCOT尺寸为275 mm × 290 mm × 195 mm,其移动单元如图 4所示,包含电机、轴承、霍尔传感器、偏心臂、偏心质量块等元件。MASCOT的运动机制是根据多体系统模拟开发的,并且进行了相关的零重力飞行测试试验[34]

图 4 MASCOT移动单元实物图 Fig. 4 Mobile unit of MASCOT

一些学者也针对小天体探测器弹跳移动的特点,进行了移动方案设计。Ulamec等对小天体探测任务中弹跳式探测器的应用价值进行了深入研究,并且在基于旋转质量块加速弹跳原理的基础上提出了撑杆跳弹跳概念[35]。Pavone与喷气推进实验室(Jet Propulsion Labcratory,JPL)合作研发了用于火卫一探测的刺猬机器人,同样采用弹跳移动策略,并给出了滚动与弹跳的二维和三维动力学模型[36]。文献[37]开发了三代弹跳式探测器,并在第三代探测器中提出将轮控系统部署在弹跳探测器的概念,以实现对起跳角度的控制。

除了弹跳探测,原位探测也是开展小天体表面探测的方式之一。原位探测的方式在欧洲航天局(ESA)针对彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的“罗塞塔”(Rosetta)任务中得到了应用[38]。其表面探测器“菲莱号”(Philae)构造如图 5(a)所示。“菲莱号”携带了冷喷气系统与锚定装置来实现在彗星表面的固定[39- 40],锚定渔叉如图 5(b)所示。通过特殊的构型设计或携带固定装置,可以在一定程度上避免小天体探测器在附着瞬间发生反弹,但这也增加了探测器设计的复杂度,并限制了探测器的自主移动能力。

此外,这类装置的稳定性较差,一旦失效,将会带来严重后果。“罗塞塔”任务中,“菲莱号”从绕飞轨道上以0.187 6 m/s的相对速度与主探测器分离,轨道高度大约为20.5 km;经历大约7 h的弹道式下落后,以大约1 m/s的速度抵达目标彗星67 p表面,初始着陆点与目标着陆区相差112 m。由于冷气推进与锚定装置均发生故障,“菲莱号”在第一次着陆后,未能成功停留,而是经过两次弹跳后落到阴影区,在电池电量耗尽后无法充电而进入休眠状态,原定的探测计划也未能顺利完成[41]

2.3 弱引力环境下的导航与制导技术

在小天体表面科学价值较高的区域开展采样、拍照、地质分析等探测活动,可以获取更加丰富有效的科学信息,以提升对小天体的认知。为此,要求探测器具备较高的自主移动能力,以实现定点精确移动。弱引力环境下的导航与制导技术,是实现探测器在小天体表面精确移动的关键。

在导航方面,小天体表面弹跳式探测器的定位主要基于计算机视觉方法。So等研究了基于光流的小天体表面跳跃式探测器相对定位方法[42];此后,他又引入多相机系统,采用视觉测程法估计探测器运动状态,解决了景深精度有限和探测器姿态变化带来的困难[43]

在制导算法设计方面,Bellerose针对小天体弹跳移动方法,提出了探测器移动距离和所需时间的解析计算方法,并基于滑模控制思想研究了单个和多个探测器的制导算法[19]。文献[44]由简化模型计算了弹跳转移的初始速度,并基于脉冲控制设计了轨迹修正指令,增加了控制精度。Shen等运用粒子群优化算法研究了多个弹跳式探测器在多面体模型下的小天体表面运动轨迹优化问题,并分析了速度最小增量与小天体尺寸的关系[45]。文献[46]采用凸优化方法进行小天体表面移动轨迹优化算法设计,并分析了转移距离对轨迹优化精度的影响。文献[47]在文献[46]的基础上采用凸优化方法设计了小天体表面移动制导律,通过引入测量信息作为输入反馈,形成闭环制导算法,提高了探测器的鲁棒性。

图 5 “菲莱号”构型图 Fig. 5 Configuration diagram of Philae

“接触–分离”(Touch-and-Go,TAG)是目前探测器实现小天体表面采样收集的有效手段。在TAG过程中,探测器通常先在目标小天体上方进行悬停[48],待确定采样点以后,探测器下降到小天体表面,在地面只做几秒钟的停留,完成采样任务后迅速上升离开小天体。TAG采样已经成功应用于“隼鸟”任务中[49]。为保证TAG过程的顺利完成,在“隼鸟”任务中对探测器在附着瞬间的相对速度有着严格的约束(横向为零,纵向为10 cm/s)。该任务采用了基于光学导航相机和激光雷达的自主导航方案,并在下降过程中投放人工信标,利用导航相机对人工信标进行跟踪以消除水平方向速度[50]。采样点的选取综合考虑了科学价值和探测器的安全性,最终采样点如图 6所示。“隼鸟号”探测器通过两次尝试,完成TAG任务,图 7为探测器TAG过程所拍摄的序列图像,在(13)所示的视角处,开始进行最终段的垂直下降操作。

“隼鸟2”[31]和OSIRIS-REx[51]任务也将采用TAG方式完成采样返回。Boniz针对TAG任务,设计了轮刷式采样装置,并通过试验对其性能进行了测试[52]

为提高表面探测任务的科学回报,需要探测器在科学价值较高的复杂地形区域完成探测任务,这就要求小天体表面探测器具备自主障碍规避能力。Tardivel等构建了球形探测器在不规则小天体表面的受力模型,并运用概率模型描述了小天体表面的障碍物情况[53]。Mège等针对小天体复杂地形设计了对附着环境具备鲁棒性的弹跳运动机构,弹跳距离可以从几米到几十米[54]。文献[55]设计了一种可以黏附在小天体表面的探测器,并且可以实现在巨石和凹槽间的转移。

图 6 “隼鸟”任务TAG采样点 Fig. 6 Landing site of Hayabusa
图 7 TAG序列图像 Fig. 7 Image sequence data of TAG
3 结 论

小天体表面移动技术是实现小天体表面探测的关键所在。为实现探测器在复杂地形区域的安全、精确自主移动,需要进一步开发小天体表面移动的关键技术,以提高探测器的控制精度和安全性能。在动力学环境研究方面,如何建立小天体附近全局有效的快速引力场估计方法,并综合考虑地形、自旋、引力场等多种因素对探测器运动稳定性的影响是研究的重要方向;在探测器构型设计方面,需要针对不同尺寸的小天体,设计轻型高效的移动单元,以实现探测器在弱引力环境下的快速有效移动;在导航方面,有必要基于小天体表面运动机制进一步研究探测器弹跳移动的自主导航策略;在制导控制方面,结合探测器自身执行机构,并考虑鲁棒性、自适应性和燃耗、计算速度等性能指标的优化是研究的热点。

随着科学目标的提高和航天技术的发展,未来的小天体表面探测任务必将更为高级和复杂,充分把握小天体表面移动技术的特点和难点问题,在关键技术领域取得突破性进展,才能满足未来小天体表面探测工程任务的需求。

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