一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法

摘要

本发明涉及一种复杂地形安全度评估方法，尤其涉及一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，属于深空探测技术领域。一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，通过提出安全因子的概念，并将之具体化后应用在复杂地形安全度评估问题中，为复杂地形着陆任务安全性的考察提供了一种量化方法，进一步将评估结果进行等级划分，得到复杂地形的安全度。通过对安全因子具体形式的调整，该方法可被广泛应用到各类行星着陆任务的前期任务规划设计以及任务执行过程中，起到规避障碍、提高着陆性能、降低失败风险等作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复杂地形安全度评估方法，尤其涉及一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

未来行星探测任务要求探测器着陆在具有科学价值的区域，这样的区域往往地形复杂，对着陆精度及着陆安全性提出了极大的挑战。为了解决这一问题，在任务的设计阶段以及任务的执行阶段，需要对目标天体的候选着陆区进行技术分析与评估，得到其中适宜着陆的区域，为之后的着陆工作提供参考。目前，国内外学者已提出若干综合评估着陆区及着陆点的方法，这些方法大多内容分散，形式各异。为了完善统一已有方法，需要提出一种综合考虑多种因素的指标来满足不同行星着陆任务的需求，对行星表面复杂地形的安全度进行合理量化，从而当着陆对象或环境改变时，仍能较好完成对复杂地形安全度的评估工作，分析得到着陆在不同地方的危险性，提高任务的安全性与成功率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，该方法通过提出安全因子的概念，并将之应用在复杂地形安全度评估问题中，为复杂地形着陆任务安全性的考察提供了一种量化方法，进一步将评估结果进行等级划分，得到复杂地形的安全度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，包括如下步骤：

步骤一、确定具体化的安全因子表达式。安全因子由若干因素指 标通过加权得到，结合任务需求及探测目标特点，选取需要进行评估的因素指标、采用的函数形式以及加权方式，得到具体化的安全因子表达式。

从安全角度出发，提出安全因子(Safety Index，简称SI)的概念，将其作为一个普适评估标准，用于对复杂地形进行量化分析，其定义为

安全因子取值越小，该区域就越安全。安全因子中的因素指标(factor1,factor2...factorN)主要包括：地形情况、着陆精度、着陆速度及姿态、燃耗、误差及环境干扰。每种因素指标所采用的具体函数形式既可以是离散函数，也可以是在有限范围内变化的连续函数。加权方式根据每种因素指标对任务成败的重要程度来决定，若认为所选因素对任务影响相近、不分上下，可对每部分因素指标赋予相同权值；若某一项或某几项因素对任务成败影响更大，则可通过加大该因素指标的权值，增加该因素在分析结果中所占的比重。

考虑上述因素指标、采用的函数形式和加权方式的情况下，得到一个具体化的安全因子；

步骤二、评估复杂地形安全度。根据步骤一得到的具体化的安全因子对网格化后的复杂地形进行量化评估；通过设置区间，将评估结果分级，得到复杂地形安全度。

步骤一所述安全因子的因素指标采用的函数形式为：S型函数、min-max标准化函数、多项式函数或三角函数；

复杂地形安全度是对安全因子的取值进行合理划分的结果，表明了探测器着陆在不同地方可能产生的危险性大小，安全度越高，其危险性也就越小。在选择划分区间时，需要结合安全因子的整体取值范围以及各部分评估指标的取值特点，尽可能将安全区域、危险区域以及介于其间的模糊区域划分开，安全度的级别个数可根据实际情况进 行调整，用安全度来对复杂地形着陆任务的成功率进行衡量，从而达到评估的目的，为之后的着陆过程起到指导作用。

有益效果

本发明公开的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，通过提出安全因子的概念，并将之具体化后应用在复杂地形安全度评估问题中，为复杂地形着陆任务安全性的考察提供了一种量化方法，进一步将评估结果进行等级划分，得到复杂地形的安全度。安全度等级越高，表明该区域越适宜着陆；反之，安全度等级越低，着陆在该区域危险性就越高。通过对安全因子具体形式的调整，该方法可被广泛应用到各类行星着陆任务的前期任务规划设计以及任务执行过程中，起到规避障碍、提高着陆性能、降低失败风险等作用。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法流程图；

图2为惯性系下推力矢量的方向；

图3为仿真中进行评估的复杂地形，其中(a)为三维地形图，(b)为地形俯视图；

图4为S型函数变化曲线，其中(a)为地形情况指标变化情况，(b)为着陆速度指标变化情况；

图5为评估过程及安全因子计算结果，其中(a)为地形情况指标评估结果，(b)为着陆速度指标评估结果，(c)为着陆姿态指标评估结果，(d)为安全因子的计算结果；

图6为复杂地形安全度评估结果，其中(a)为安全因子等高线图，(b)为复杂地形安全度的计算结果。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

不失一般性，本实例选用火星着陆过程进行分析，在着陆点固连惯性系下采用最优控制制导，其制导律解析形式为

$a=-4\frac{\Delta v}{t_{go}}-6\frac{\Delta r}{t_{go}^2}-g---\left(2\right)$

其中，a为控制加速度，Δv及Δr分别为探测器当前速度/位置与预定着陆点处速度/位置的差，t_go表示剩余着陆时间，g是当地重力加速度。加速度矢量a的方向即为主推力T的方向。如图2所示，推力T的方向与竖直方向z轴的夹角可由式(3)计算得到

图3中，用于评估的复杂地形大小为2000m×2000m。探测器初始位置r₀为[-300,-200,1700]m，初始速度v₀为[18,20,-80]m/s。在理想条件下，探测器应以零速度垂直降落在行星表面，但在实际过程中，由于误差与干扰的存在使得探测器的着陆速度与姿态均与预定状态有所偏差，为了真实模拟着陆过程中的环境不确定性与系统误差，在仿真中加入5％的执行误差及阵风干扰。

本实施例公开的一种基于安全因子的复杂地形安全度评估方法，包括如下步骤：

步骤一、确定具体化的安全因子表达式。安全因子由若干因素指标通过加权得到，结合任务需求及探测目标特点，选取需要进行评估的因素指标、采用的函数形式以及加权方式，得到具体化的安全因子表达式。

需要注意的是，在具体化安全因子表达式的过程中，还需考虑不同目标天体在探测过程中的差异，具体表现在用时长短及侧重内容上。小行星与彗星尺寸更小、形状不规则，产生的引力小且分布不均，着陆在这类天体上通常要经历更长的时间，着陆速度也相对更小。因 此，探测器有充足的时间对行星表面进行检测与分析，通过星载计算机或接收地面站的指令信息完成对复杂地形的评估。评估因素上，由于弱引力对探测器的束缚有限，过大的着陆速度及倾斜的着陆姿态可能造成探测器在复杂地形中剧烈的弹跳甚至逃逸，同时外界的扰动对着陆性能的影响也更加明显，这些因素在评估过程中应重点考虑。相比之下，以火星为代表的主要天体引力大且分布相对均匀，可容忍一定范围内的着陆速度与外界扰动，但其着陆过程相对更加快速，加上与地球通讯的时延问题，只能在着陆前依靠星上自主系统对有限范围内的复杂地形进行简单快速的评估，因此要求安全因子形式简单便于计算。

在本实施例中，要求探测器在避开障碍物的同时，以尽可能小的速度垂直降落在火星表面，故选取地形情况、着陆速度以及着陆姿态作为评估因素。为了直观的判断所给复杂地形是否安全以及便于三种因素指标在组成安全因子时形式与取值统一，将每种因素指标的具体函数形式都设定为S型函数，进而得到具体化的安全因子表达式

其中，c_i(i＝1,2,3)为正常数，R,v_fz,分别为安全半径(指探测器着陆点与最近障碍物之间的距离)、竖直速度分量以及推力方向与竖直方向的夹角，D,v_fzmax,分别为它们的临界值。此处认为地形情况、着陆速度以及着陆姿态对于任务的成败影响相当，权重均取为1。

S型函数的计算结果可以分为三类，即大于临界值、小于临界值及在临界值附近。可以看到，式(4)中第一部分的形式与后两部分略有差别，这是由于地形情况指标中临界值D是下边界，着陆速度指标与着陆姿态指标的临界值v_fzmax,是上边界。通过适当调整具体形式，可以保证地形情况、着陆速度以及着陆姿态三部分指标都是值越小，区域越安全。以地形情况为例，假设安全半径临界值D＝50m， 目标着陆点的安全半径R在0m到100m之间变化，该部分指标的变化情况见图4(a)。着陆速度与着陆姿态两部分的指标也有着类似的变化规律，只是变化方向与地形情况指标相反，如图4(b)所示。

步骤二、评估复杂地形安全度。根据步骤一得到的具体化的安全因子对网格化后的复杂地形进行量化评估；通过设置区间，将评估结果分级，得到复杂地形安全度。

在使用具体化的安全因子对复杂地形进行分析前，需要首先得到地形情况、着陆速度以及着陆姿态三部分指标各自的计算结果。将地形进行网格划分，对每一个网格分别按三种因素指标进行计算并将所有网格的计算结果整合在一张图上，分别得到图5(a)、5(b)及5(c)。将以上三张图的结果按照安全因子中的加权方式即式(4)进行相加，得到安全因子的计算结果，如图5(d)所示。可以看到，安全因子整体取值范围在0到3之间，值越大，该区域就越危险，反之则越安全。

进一步通过设置区间对安全因子评估结果进行划分，得到复杂地形安全度。由于满足地形情况、着陆速度以及着陆姿态约束的区域每部分的指标取值都接近为0，任何超过约束的部分取值都接近1，故判断出适宜着陆的区域其安全因子的总体取值小于1。对安全因子计算结果进行分析得到如图6(a)所示的安全因子等高线图。由于安全因子的整体取值范围为(0,3)，小于1的部分认为满足约束，此处将其取值划分为6个区间，对应着不同的地形安全度

安全度越高，安全因子的值越小，表明着陆面临的危险越小。将安全度对应到复杂地形上，得到图6(b)，其中颜色越浅的部分安全度越 高，在此区域着陆的安全性越有保障，相反，颜色越深的部分则危险性越大。在后续的着陆过程中，探测器只需向着安全度高的区域运动即可在最大程度上保障着陆任务的顺利完成。

本发明保护范围不仅局限于实施例，实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。