一种月球着陆场着陆与运营设计方法

摘要

一种月球着陆场着陆与运营设计方法，适用于多个着陆探测器着陆于同一地区，可服务于月球科研站、载人登月、月球基地等月球探测任务；降低着陆器的燃料消耗，提高运输效率，并能够建设高效、安全的着陆场；能够简化着陆飞行过程，取消着陆专用的测速测高设备，取消着陆区障碍检测的微波雷达、激光雷达、激光成像敏感器、光学成像设备，降低着陆探测器的研制难度和研制成本；以及降低着陆过程控制的技术难度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种月球着陆场着陆与运营设计方法，属于月球探测领域。

背景技术

随着月球探测任务的进一步开展，后续将会有更多的着陆器着陆到月面。后续将开展月球科研站、载人登月、月球基地等月球探测任务。科研站和月球基地为多个月面探测器组成的探测器集群；为此任务必然会有较多的探测器着陆到月球表面。对月球着陆任务而言还是一项较为复杂的工程任务，2019年有两颗探测器在着陆过程中因为技术故障损毁。为了降低着陆任务的复杂性，必须通过基础设施保障，提高着陆任务的可靠性和安全性，并且进一步降低探测器研制难度，降低研制成本，降低控制技术难度。故本技术发明提出了一种月球着陆场着陆与运营组织方法。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统技术中缺少月球着陆场地着陆及运营控制技术的问题，提出了一种月球着陆场着陆与运营设计方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种月球着陆场着陆与运营设计方法，步骤如下：

根据着陆任务选择拟建设的着陆场地；

设定着陆场地基础设施建设策略；

进行首次着陆探测任务，完成着陆器于月球表面指定区域的着陆；

着陆器完成着陆后释放月球车，通过月球车负载着陆器，并运输至着陆场地边缘以让出后续着陆场地；

通过月球车进行无线电导航台部署，利用月球车负载各台单独工作的无线电导航台部署至指定位置，以着陆器为导航台，组成着陆器、月球车、任意一台无线电导航台的着陆场导航系统，着陆场导航系统数量与无线电导航台相同；

根据着陆场地基础设施建设策略，控制月球车进行当前着陆场地施工作业；

月球车移动至着陆场地外待命，通过所有着陆场导航系统进行信息交互；

根据着陆场导航系统提供的活动高度、航向信息，于当前着陆场地进行第二次着陆探测任务，根据首次着陆探测任务中着陆器着陆数据，改进第二次着陆探测任务的着陆器的着陆过程以降低能耗并提高商载能力；

建立月球着陆场地的等级标准，根据第二次着陆探测任务中着陆器的着陆情况数据，依据等级评分要素进行评分，确定当前月球着陆场地的评级。

根据着陆任务所需数据，着陆场地的具体参数为：

范围为600×400×200×200平米内，坡度＜15°，着陆场地凹坑或凸起障碍小于200mm。

着陆场地基础设施建设策略包括：

对着陆场地进行平整处理并进行导航定位设施建设。

首次着陆探测任务中，通过着陆器承载月球车及各无线电导航台于月球表面进行着陆，其中：

所述着陆器用于运输月球车及各无线电导航台，所述月球车于着陆完成后，于月球表面建设着陆场地。

所述无线电导航台利用月球车部署于着陆场边缘位置，数量为2～4套。

施工作业具体步骤为：

将着陆场地内高于200mm的凸起障碍清除，并填平凹陷障碍，着陆场地表面凹坑或凸起障碍小于150mm则停止施工作业。

第二次着陆探测任务中的着陆器为简化后的着陆器，不配备着陆避障系统，配备无线电测量系统，于着陆过程中进行轨道、弹道、速度、高度、航向测量，通过着陆器的惯性系统进行自身姿态测量。

将着陆器的着陆过程中的悬停障碍规避飞行段取消，直接进入缓速下降段。

等级评分要素具体为：

着陆场地面积、着陆场地坡度、着陆场地表面障碍、着陆场地纬度、月球相对位置。

通过评分进行等级判定，所述评分包括着陆场地面积评分、着陆场地坡度评分、着陆场地表面障碍评分、纬度评分、月球位置评分，其中：

着陆场地面积评分为航向方向长度/100与航向垂直方向/100乘积，600>航向方向长度>200，400>航向垂直方向>200；

着陆场地坡度评分为30与坡度角×2的差值，着陆场地最大允许坡度为15°；

着陆场地表面障碍评分为30与障碍高度或深度的差值；

纬度评分为30与(纬度/10)×3的差值；

月球正面得分为0，月球背面需要中继星支持任务，减50分。

月球着陆场地的等级标准具体为：

评分超过100分为A类着陆场，评分超过75分为B类着陆场场，评分超过50分为C类着陆场，低于50分为D类着陆场，着陆难度逐级增加。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种月球着陆场着陆与运营设计方法，通过在月面选址一块m米×n米的相对平整着陆场，利用首次着陆到着陆场的探测器进行着陆场建设和平整，并建立导航台，后续探测器通过利用导航台进行着陆，简化着陆的避障系统，填补了当前月面着陆与运营技术的空白，简化月球着陆任务的设计难度，通过着陆场建设，降低了月面着陆任务对地形适应性的要求，通过导航台系统设计，降低了着陆控制系统的设计难度。

附图说明

图1为发明提供的月面着陆场选择示意图；

图2为发明提供的月球探测器首次着陆于预选着陆场示意图；

图3为发明提供的月球车将着陆器运输示意图；

图4为发明提供的月球车部署无线电导航台示意图；

图5为发明提供的后续着陆任务飞行过程示意图；

图6为发明提供的后续着陆器部署任务示意图；

具体实施方式

一种月球着陆场着陆与运营设计方法，适用于多个着陆探测器着陆于同一地区，可服务于月球科研站、载人登月、月球基地等月球探测任务，能够降低常规着陆器的研制与着陆过程控制的技术难度，降低着陆器的燃料消耗，提高运输效率，具体步骤如下：

根据着陆任务所需数据，选择拟建设的着陆场地；

其中，根据着陆任务所需数据，着陆场地的具体参数为：

范围为m×n平米内，具体为(600×400㎡～200×200㎡)，坡度＜15°，着陆场地凹坑或凸起障碍小于200mm；

设定着陆场地基础设施建设策略；

其中，着陆场地基础设施建设策略包括：

对着陆场地进行平整处理并进行导航定位设施建设；

进行首次着陆探测任务，完成着陆器于月球表面指定区域的着陆；

其中，首次着陆探测任务中，通过着陆器承载月球车及各无线电导航台于月球表面进行着陆，其中：

所述着陆器用于运输月球车及各无线电导航台，所述月球车于着陆完成后于月球表面建设着陆场地；

着陆器完成着陆后释放月球车，通过月球车负载着陆器并运输至着陆场地边缘进行部署以让出着陆场地；

通过月球车中的月球车进行无线电导航台部署；

其中，无线电导航台部署数量为2～4套；其中着陆器和月球车各自构成一套无线电导航台，再配置0～2套独立工作的无线电导航台。导航台的部署全部由月球车负责运输部署；

无线电导航台可以是着陆器携带的无线电导航台、月球车携带的无线电导航台，也可以是单独工作的无线电导航台。具体部署方式为：

月球车负载着陆器，并运输至着陆场地边缘进行部署着陆器，着陆器构成导航台。

月球车负载单独的工作的无线电导航台，部署至指定位置，着陆器构成导航台。此项工作也可以没有。

月球车在完成后续作业任务后，在后续着陆任务前，运动到特定位置，利用自身携带无线电导航台，成为后续着陆任务的无线电导航台。

首次着陆后，形成大于等于2套导航系统，如果仅有2套导航系统能够完成航向方向的导航。如果有3套导航系统便能够实现着陆过程的绝对定位。如果有4套导航系统，能够实现着陆过程的绝对定位，并且还有1个冗余的导航台，提高系统的可靠性。

根据着陆场地基础设施建设策略进行施工作业；

其中，施工作业具体步骤为：

将着陆场地内高于200mm的凸起障碍清除，并填平凹陷障碍，着陆场地表面凹坑或凸起障碍小于150mm则停止施工作业；

月球车移动至着陆场地外待命；

其中，承担着陆场导航系统设备的数量为2～4套，包括月球车、着陆器、0～2个无线电导航台，导航系统设备间可互相进行无线电测量以定位位置，着陆场导航系统中建立有对应的导航台基线；

根据着陆场导航系统的导航信号，于当前着陆场地进行第二次着陆探测任务，根据首次着陆探测任务中着陆器着陆数据，改进第二次着陆探测任务的着陆器的着陆过程以降低能耗并提高商载能力；

其中，第二次着陆探测任务中的着陆器为简化后的着陆器，不配备着陆避障系统，配备无线电测量系统，于着陆后进行轨道、弹道、速度、高度、航向测量，通过着陆器的惯性系统进行自身姿态测量；

建立月球着陆场地的等级标准，根据第二次着陆探测任务中着陆器的着陆情况数据，依据等级评分要素进行评分，同时能够对后续着陆的着陆场进行评分，确定当前月球着陆场地的评级；

其中，将着陆器的着陆过程中的悬停障碍规避飞行段取消，直接进入缓速下降段；

等级评分要素具体为：

着陆场地面积、着陆场地坡度、着陆场地表面障碍、着陆场地纬度、月球相对位置；

通过评分进行等级判定，所述评分包括着陆场地面积评分、着陆场地坡度评分、着陆场地表面障碍评分、纬度评分、月球位置评分，其中：

着陆场地面积评分为航向方向长度/100与航向垂直方向/100乘积，600>航向方向长度>200，400>航向垂直方向>200；

着陆场地坡度评分为30与坡度角×2的差值，着陆场地最大允许坡度为15°；

着陆场地表面障碍评分为30与障碍高度或深度的差值；

纬度评分为30与(纬度/10)×3的差值；

月球正面得分为0，月球背面需要中继星支持任务，减50分；

月球着陆场地的等级标准具体为：

评分超过100分为A类着陆场，评分超过75分为B类着陆场场，评分超过50分为C类着陆场，低于50分为D类着陆场，着陆难度逐级增加。

下面根据具体实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，如图1至图6所示，在月面选址一块m米×n米的相对平整着陆场；然后利用首次着陆到着陆场的探测器进行着陆场建设和平整，并建立导航台，后续探测器利用导航台进行着陆，简化着陆的避障系统。后续探测器着陆后，利用月面着陆机器人将探测器移动到着陆场边缘，便于后续探测器进行着陆。

图1为发明提供的月面着陆场选择示意图；图2为发明提供的月球探测器首次着陆于预选着陆场示意图，首次着陆轨迹中，存在水平平移避障轨迹；图3为发明提供的月球车将着陆器运输示意图；图4为发明提供的月球车部署无线电导航台示意图；图5为发明提供的后续着陆任务飞行过程示意图，后续着陆轨迹中，不存在水平平移避障轨迹，而是直接着陆；图6为发明提供的后续着陆器部署任务示意图；

具体方法流程如下：

利用目前国内外已经获得的探测资料，着陆器选址，满足着陆场地m×n平方米(600×400㎡～200×200㎡)；

设定策略，着陆器携带月球车和不少于2个的无线电导航台，着陆到预定着陆场；

首次着陆过程为传统的月球着陆过程，在主减速段一定高度开始利用自身携带的高度测量设备，如激光雷达、微波雷达等进行测高，在接近段，开始测高、测速和月面障碍检测，主要利用微波雷达、激光雷达、激光成像敏感器、可见光相机等设备。待到一定高度时，进行悬停，障碍规避，确定月面没有障碍后，进行缓速下降，着陆；

着陆器完成月面着陆后，释放月球车；然后月球车将着陆器部署到着陆场边缘，为后续着陆探测器让出着陆场地；

月球车完成月面着陆场地的平整，为后续着陆提供较小障碍的场地，降低着陆难度；

月球车部署不少于2个无线电导航台在着陆场边缘；与着陆器、月球车一起共同组成不少于4个的无线电导航台系统；

后续着陆任务(第二次着陆任务开始)，着陆器将不再配置微波雷达、激光雷达、激光成像敏感器、以及着陆用可见光相机。飞行过程中将不再对月面测高，主要利用着陆场无线导航系统活动高度、航向等信息。着陆过程将不再配置“悬停避障段”，而是接近段后，直接缓速下降，着陆；通过此飞行设计降低燃料消耗；

后续着陆到月面的探测器将由月球车部署到着陆场边缘，与先前部署的着陆器或探测器互联互通，形成科研集群；同时也为后续着陆器让出着陆场地。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。