月球探测器成像观测任务设计与验证

邹昕 邓湘金 张熇 陈丽平 顾征

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

月球探测器成像观测任务设计与验证

邹昕 邓湘金 张熇 陈丽平 顾征

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

针对月球探测器月面软着陆与巡视勘察任务特点，进行需求分析和细化，识别出月面探测任务过程中着陆器动力下降、巡视器释放分离、两器月面工作状态、月面区域地貌状态等成像观测任务的关键环节，兼顾设计约束，开展成像仪器系统设计。基于各个成像观测任务关键环节，结合月面状态、探测器姿态和光照条件之间的相互影响，从成像仪器视场遮挡情况、成像目标的阴影状态、视频的连贯性和数据传输的匹配性等方面，确定成像仪器配置及功能和性能参数。此成像观测任务设计已通过嫦娥三号探测器的在轨验证，为探测器状态的判断、分析及任务实施过程的评估提供了支撑，可为后续深空探测的成像观测任务设计提供参考。

月球探测器；着陆器；巡视器；成像观测任务

1 引言

深空探测是人类对未知宇宙空间以及宇宙演化过程探索的重要手段，而开展成像观测任务设计是深空探测任务的首要环节之一。成像观测任务设计是基于任务需求分析，针对成像观测任务的关键环节，结合设计约束，进行成像仪器系统设计，开展成像分析仿真验证，确定成像仪器的数量、配置、成像性能等具体参数，并最终得到深空探测成像观测任务的成像效果。

成像仪器系统是大多数探测器都要配置的有效载荷［1］。美国、苏联等国家在进行深空探测的活动中，其着陆器或巡视器上都搭载了多台成像仪器，承担照相、监视、辅助导航等任务，或通过配置多种类型的成像仪器实现更多功能［2-4］。例如，20世纪60年代中期到70年代中期，美国的勘测者-1～7，苏联的月球-9、月球-17的月行车-1和月球-21的月行车-2，均携带了相机和电视摄像机，用于获取月面图像和探测器的月面工作状态信息，完成月面的地形地貌研究、巡视器的导航和路径规划、采样器的动作监视等任务［5-7］。20世纪末期，美国“探路者”火星着陆器和“旅居者”巡视器，都携带了一套成像系统，为探测目标、巡视路径和地形提供图像信息。21世纪初期，美国的机遇号、勇气号、凤凰号和好奇心号火星探测器［8］，均携带了多台相机，用于获取火星表面图像和探测器在火星表面的工作状态信息，完成火星表面地形地貌的研究、巡视器的导航和路径规划、钻取采样的位置选择和动作监视等任务。而国外公开文献中，虽有深空探测器成像仪器系统的配置和性能参数等相关介绍，但并未涉及详细的成像观测任务设计。

我国的深空探测活动以月球探测起步，分步实现绕月探测、月面软着陆与巡视勘察和采样返回等工程任务目标［9-10］。其中，在月面软着陆与巡视勘察阶段，为了展现月球探测器月面工作状态，并为探测器状态的判断、分析及任务实施过程的执行情况提供视觉信息支持，成像观测任务设计至关重要。目前，国内也尚无具体的研究报道。本文针对月球探测器月面软着陆与巡视勘察任务特点，进行成像观测任务设计，并以嫦娥三号探测器为例验证了设计的可行性和正确性。

2 成像观测任务设计

2.1 任务需求分析

在月面工作的探测器主要包括着陆器和巡视器。其成像观测任务包括：①在着陆器降落过程中，拍摄月面图像，为巡视器的路径规划提供参考数据，同时在着陆过程中直观监测着陆器的姿态特性，掌握着陆推进与着陆控制情况；②着陆后，获得着陆器、巡视器工作状态的图像信息，为地面工作人员提供着陆器、巡视器工作状态的直观信息，以多维度评估关键动作和关键点的实现程度。根据上述任务特点，确定成像观测任务过程中的6个关键环节，包括动力下降过程、巡视器释放分离过程、巡视器月面移动过程、着陆器月面工作状态、月面区域成像、落月后可择机对天体成像［11］。

2.2 设计约束分析

成像仪器系统设计过程中，主要受到4个方面的设计约束。

（1）资源约束。月球探测器软着陆时的速度增量需求较大，质量的增加将急剧增大推进剂的需求，因此对各成像仪器的质量控制比地球应用卫星更为苛刻。成像仪器系统在保证功能和性能要求的前提下，必须采用优化设计，缩小体积，减少质量，降低功耗，提高资源利用效率，达到轻小型化设计要求。

（2）环境约束。成像仪器系统除适应整个飞行过程的力学、热、真空、辐射、光照、月尘等环境之外，还要适应探测目标特性，因此设计应充分考虑上述因素的影响及其适应途径，确保成像仪器在特定的环境条件下能够达到预期的成像效果，实现预定功能和性能。

（3）数据传输约束。成像仪器系统的设计还要综合考虑数传码速率的限制和实时下传的需求，进行分析和确定。

（4）视场遮挡约束。成像仪器系统的安装布局受限于月球探测器的构型布局，其观测目标可能被探测器本体或其他设备遮挡，也可能因着陆器着陆姿态、月面状态等因素导致成像仪器的视场存在遮挡，因此设计应充分考虑上述各种因素对成像仪器视场遮挡的情况，进行成像仪器系统优化设计和多工况验证。

2.3 成像仪器系统设计

2.3.1 成像需求

根据任务需求分析，对成像观测任务过程中的关键环节细化如下。

（1）动力下降过程：①着陆器动力下降段，连续获取着陆区的月面图像；②查看着陆区的石块分布和地形特点，为着陆后巡视器的路径规划提供参考数据；③监测着陆器在着陆过程中的姿态特性，掌握着陆推进与着陆控制情况。

（2）巡视器释放分离过程：①探测器着陆后到两器释放分离前，获取巡视器降落点的月面地貌状态；②监视巡视器在着陆器上的锁紧解锁状态、行走和到位状态、释放和分离状态。

（3）巡视器月面移动过程：①获取巡视器在月面的彩色图像；②监视巡视器在月面运动状态和实现视频展示。

（4）着陆器月面工作状态：①获取着陆器着陆月面后的彩色图像；②监视着陆器在月面的采样工作状态和实现视频展示。

（5）月面区域成像：①获取着陆器周围月貌全景图像；②获取巡视区周围月面全景图像；③近距离观测月面景观，为月面撞击坑、地形地貌特征分析提供数据源；④为巡视器的导航和路径规划提供数据参考。

（6）对天体成像：择机实现在月球上观测其他天体目标。

在上述成像观测任务的关键环节的基础上，综合考虑资源、环境、数传、视场遮挡等约束条件，结合国外月球探测器成像仪器的配置情况［2-8］，确定成像仪器系统主要包括着陆器上的降落相机、监视相机、地形地貌相机和巡视器上的全景相机。各成像仪器与成像任务的对应关系如图1所示。

图1 成像仪器与成像任务的对应关系Fig.1 Corresponding ralations between imaging instruments and imaging tasks

2.3.2 功能和性能要求

根据各成像仪器对应的成像任务，确定其功能要求。例如：降落相机的成像目标是月面，色彩单一，可确定为全色相机。而监视相机、地形地貌相机和全景相机的成像目标包括探测器，色彩鲜明，可确定均为彩色相机。巡视器在月面移动，有运动的动作，因此地形地貌相机和监视相机要能够静态拍照和动态摄像。为了使相机在不同的太阳光照条件下成像，相机均要具有曝光自动调节和消杂光的功能。考虑月面的月尘影响，相机均应具有防尘的功能。由于深空探测的数传约束，相机均应具备图像压缩能力。

成像仪器的性能指标，如颜色、谱段范围、成像模式、成像距离、有效像元数量、视场角、帧频、量化值、数据压缩比、信噪比、系统静态传递函数、最大数据率，以及成像仪器的数量、安装位置等，要通过成像仿真验证反复计算和多次优化迭代后最终确定。

2.4 成像仿真验证

成像仿真验证的具体步骤为：首先，构建探测器系统、月面环境系统、动态光照系统和成像仪器可视化系统。然后，在成像仪器可视化系统中，载入探测器系统、月面环境系统及动态光照系统，通过对探测器的位置姿态参数、月面环境参数、光照参数、成像仪器成像属性的交互式动态设置和调整，最终获得不同工况下成像效果的静态仿真图像和视频，同时跟踪成像仪器视场遮挡情况和成像目标的阴影状态，从而获取成像仪器的最优成像属性，并利用其进行成像仪器配置。具体情况如图2所示。

图2 月球探测器月面任务成像分析的仿真流程Fig.2 Simulation flow of imaging analysis of lunar explorer for lunar surface task

在成像仪器可视化系统中，根据成像仪器视场遮挡情况和成像目标的阴影状态，判断当前设定成像仪器成像属性所对应的图像或视频是否满足关键环节的要求：若是，则输出静态图像或视频，并得到此时设定的成像仪器成像属性；否则，更新当前设置的成像仪器成像属性，并重复在不同着陆姿态、月面状态和太阳光照的工况下进行视场遮挡分析和阴影状态分析，对成像仪器成像属性参数，如成像仪器的位置信息（包括安装部位、俯仰角和偏航角）、视场角、焦距、有效像元数量、成像距离、调制传递函数（MTF）、帧频等性能参数进行适应性的调整，直到输出的成像仪器的图像或视频成像效果满足任务需求为止。经过以上反复计算和仿真，多次优化迭代，最终确定成像仪器的配置数量、安装位置（含成像仪器的方位、俯仰状态）和成像性能参数，获得多种工况下成像仪器的可视化效果静态仿真图像或视频。

3 实例验证

以嫦娥三号探测器成像观测任务设计为例。嫦娥三号探测器包括着陆器和巡视器，着陆器携带的探测仪器在月面进行就位探测；巡视器携带的科学仪器在月面开展巡视探测［12］。根据嫦娥三号月面工作的工程任务和科学目标特点，结合嫦娥三号的构型布局，确定其成像仪器系统组成和成像任务（见表1）。对6个成像观测环节分别进行成像分析和仿真验证，以确定成像仪器的数量、具体安装位置、成像性能，预估成像仪器的成像效果。

表1 嫦娥三号的成像仪器系统和成像任务Table 1 Imaging instrument system and imaging tasks of Chang'e-3

3.1 动力下降过程

动力下降过程由降落相机进行观测。降落相机的成像目标为月面，因此应安装在着陆器温控舱底部，且光轴垂直向下。经分析，受着陆器构型布局条件约束，降落相机视场内除月面外，还可见着陆腿、足垫、部分舱板（视场和成像范围如图3所示）。在下降过程中，根据降落相机参数，可计算出降落相机不同高度的幅宽和分辨率。例如：在距月面高度2 km时，幅宽为1.65 km，分辨率为1.53 m；在距月面高度4 m时，幅宽为3.28 m，分辨率为3.04 mm。

在动力下降过程中，探测器距月面高度约2 km时，降落相机开始工作，将拍摄的图像存储在数管分系统大容量存储器中。数管分系统对降落相机拍摄图像进行抽帧，通过中增益天线下传至地面，中增益天线在此过程中可保证指向地球，能进行降落相机数据传输时间约为45～290 s，计算出此过程可传输10～60幅降落相机图像。在落月后2 h内，通过定向天线将降落图像全部传回地球，进行降落过程视频展示。由于月面场景单一，经成像仿真验证，降落相机帧频为10帧/秒时，图像连贯。

图3 降落相机的视场和成像范围示意Fig.3 Sketch map of field and imaging range of landing camera

嫦娥三号实际在轨动力下降过程中，降落相机连续工作8min，记录了探测器逐渐接近月面的过程。降落相机实拍动力下降过程图像如图4所示。图像画面连贯，图像清晰，曝光调整正常，能够清楚看到探测器降落过程中月壤情况，很好地展示了探测器下降过程。

图4 动力下降过程中降落相机实拍图像Fig.4 Image by landing camera in powered descent phase

3.2 巡视器释放分离过程

巡视器释放分离过程主要由监视相机进行观测。监视相机要观测巡视器分离解锁到转移至月面过程中的关键点和关键环节，如巡视器轮子是否抬起、分离插头是否分离、巡视器是否运行到转移机构上、巡视器是否转移至月面等状况。结合着陆器的构型布局条件，同时考虑探测器资源约束，相机所需数量最小化原则，确定采用3台监视相机（A，B，C）交替工作。根据观测目标的位置，同时考虑观测目标要处在光照区，且相机最好顺光成像，最终确定监视相机A和B安装在着陆器顶板上，监视相机C安装在着陆器侧板上。

根据着陆区域的范围和一个月球日的太阳高度与方位的变化规律，选择5种工况的太阳高度和方位状态进行成像仿真验证。以太阳高度角为33°、方位角为135°的典型工况为例。在巡视器分离开始时，监视相机A可观测分离机构解锁过程（巡视器的后轮抬起）和分离插头的分离过程，仿真结果见图5（a）。巡视器运动到转移机构上后，监视相机B可观测巡视器是否运行到转移机构上，仿真结果见图5（b）。监视相机C可观测巡视器从转移机构运行至月面的过程，如果巡视器降落点不在阴影区，还可观测到巡视器的降落点，为巡视器是否能安全运行到月面提供视觉信息和风险评估，仿真结果见图5（c）。

监视相机主要是为对巡视器分离解锁到转移至月面过程中的关键点和关键环节静态结果进行判别，由于巡视器在转移过程中的运行速度较慢，结合准实时传输的需求，经成像仿真验证后，设定监视相机在动态摄像时的帧频为1帧/秒，能够满足观测需求。

嫦娥三号巡视器实际在轨释放分离过程中，监视相机A，B，C成像正常，观测效果良好，可以直观、清晰地反映观测目标的状态，为探测器状态的判断、分析及任务实施过程的评估提供了有力的视觉遥测支撑。监视相机A，B，C实拍巡视器释放分离过程如图6所示。

图5 监视相机A，B，C监视巡视器释放分离过程的视场仿真Fig.5 Field simulation of rover release and separation by surveillance camera A，B and C observation

图6 监视相机A，B，C实拍巡视器释放分离过程图像Fig.6 Image of rover release and separation by surveillance camera A，B and C

3.3 巡视器月面移动过程

监视相机C和地形地貌相机联合实现巡视器月面移动过程观测。监视相机C的安装位置和性能参数已根据巡视器释放分离过程确定，能观测巡视器距离着陆器10 m之内的状态。根据巡视器的路径规划，巡视器要在月面上围绕着陆器移动，因此地形地貌相机须安装在着陆器具有二维转动能力的相机指向机构的云台上，观测巡视器在月面10 m距离以外的移动状态。根据巡视器参数、监视相机C和地形地貌相机的性能参数，计算出它们的分辨率。

经成像仿真验证，巡视器在10 m内月面移动时，监视相机C的分辨率优于1.02 cm，能清晰观测巡视器整体和主要部件，也能清晰分辨巡视器上国旗的轮廓。当两器距离10 m时，地形地貌相机的分辨率为1.70 mm，可清晰观测巡视器轮廓，也能分辨各部分的细节状态，国旗轮廓和小五角星轮廓都可分辨，此时，巡视器和国旗在两相机视场中的仿真结果如图7所示。当两器距离50～100 m时，地形地貌相机对巡视器轮廓可清晰观测，国旗轮廓可见。

监视相机C的平均数据率为1.05 Mbit/s，着陆器通过定向天线（下行码速率为1 Mbit/s）可准实时对地传输月面图像。地形地貌相机对巡视器月面移动进行动态摄像，通过仿真地形地貌相机对巡视器移动的拍摄过程，结合数据传输的约束，确定地形地貌相机在动态摄像时的帧频为5帧/秒，可以实现巡视器月面移动动画展现要求，并且动态摄像数据率约为800 kbit/s，可实时对地传输月面图像。

监视相机C和地形地貌相机实拍嫦娥三号巡视器图像如图8所示。地形地貌相机获得的图像清晰，色彩真实，国旗清晰鲜红，成像效果好，视频连贯。

图7 在距离10 m时监视相机C和地形地貌相机观测巡视器和国旗的视场仿真Fig.7 Field simulation of rover and flag by surveillance camera C and topography camera observation at distance of 10 meters

图8 监视相机C和地形地貌相机实拍巡视器图像Fig.8 Image of rover by surveillance camera C and topography camera

3.4 着陆器月面工作状态

全景相机用于观测着陆器月面工作状态。巡视器上的最高位置是巡视器桅杆，且桅杆具有二维转动能力，因此全景相机安装在巡视器桅杆的云台上。根据着陆器参数和全景相机性能参数，计算出其分辨率。

经成像仿真验证，当两器距离3～18 m时，全景相机拍摄的单幅图像不能完整覆盖探测器，要进行多幅图像拼接实现。当两器距离18 m时，全景相机的分辨率为2.66 mm，视场范围为6.26 m×4.61 m，单幅图像中就能够完整覆盖着陆器整体，且轮廓特性和细节状态清晰，国旗中的小五角星都可见，此时，着陆器和国旗在整幅图像的比例如图9所示。当两器距离50～100 m时，着陆器轮廓清晰，国旗轮廓可见。

全景相机实拍嫦娥三号着陆器图像如图10所示。图像清晰，色彩真实，国旗清晰鲜红，成像效果好。

图9 在距离18 m时全景相机可获得着陆器和国旗图像示意Fig.9 Sketch map of lander and flag by panoramic camera observation at distance of 18 meters

图10 全景相机实拍着陆器图像Fig.10 Image of lander by panoramic camera

3.5 月面区域成像

地形地貌相机和全景相机用于观测月面区域。为了获取巡视区月面近距离立体图像，为巡视器的路径规划提供数据参考，需配置2台全景相机进行立体成像。

（1）地形地貌相机对着陆区可视区域。经成像仿真验证，着陆器着陆时的地形、姿态偏转等情况对±Y和―Z轴方向上（坐标定义见图9）的可视区域有较大影响。当着陆器降落在山顶时，着陆器±Y和―Z轴方向上的部分区域遮挡非常严重，部分区域永远不可见。着陆器着陆时的地形、姿态偏转等情况对＋Z轴方向上的可视区域几乎没有影响，在＋Z轴方向上的±90°的区域内，月面区域全部可见。着陆器降落在山顶时，不可视距离最长；降落在月球坑底部时，不可视距离最短；降落在平面或斜平面上时，不可视距离居于上述两者之间。

（2）全景相机的可视区域。①对着陆区可视区域：经成像仿真验证，巡视器在着陆器顶部时，±Y和―Z轴方向上约9 m距离内的区域不可见。全景相机随着巡视器移动，其不可视区能成为可视区域。②对巡视区可视区域：巡视器在月面上的某个探测点时，由于太阳翼等部件的遮挡，存在部分不可视区域，但随着巡视器的移动，整个巡视器区域都能成为可视区域。

嫦娥三号地形地貌相机实拍月面3圈的拼接图如图11所示。在月面区域环拍时，地形地貌相机和全景相机工作正常，性能稳定，获得的图像清晰。

图11 地形地貌相机实拍月面图像Fig.11 Image of lunar surface by topography camera

3.6 对地球成像

嫦娥三号探测器到地球的距离为3.8×105km，地球半径为6378 km，可计算得出地球所形成的张角约为2°，且在相机像面占30 663个像元，此外，2013年12月15―25日，太阳-地球-探测器的夹角为钝角，这意味着太阳和探测器位于地球的异侧，此时的光照条件不太好，只能拍摄到“地牙”。实际在轨地形地貌相机拍摄地球5次，获取了地球静态图像。

3.7 小结

通过上述6个关键环节的成像分析和仿真验证，最终确定了嫦娥三号成像仪器系统的配置、具体的安装位置和性能参数。成像仪器系统包括安装在着陆器上的1台降落相机、3台监视相机和1台地形地貌相机，安装在巡视器上的2台全景相机，安装布局如图12所示；系统的主要性能指标见表2。嫦娥三号探测器成像仪器系统的实际在轨运行情况，验证了成像仪器配置参数的合理性与成像观测任务设计的准确性。

图12 成像仪器系统的安装布局Fig.12 Layout of imaging instrument system

表2 嫦娥三号成像仪器系统的主要性能指标Table 2 Performances of imaging instrument system of Chang'e-3

4 结束语

本文基于月球探测器的月面软着陆与巡视勘察任务特点，开展成像观测任务设计，并将其应用于嫦娥三号探测器上。结果表明：成像观测效果良好，实现了我国地外天体软着陆、两器释放分离和两器月面工作状态的拍摄，为探测器状态的判断、分析及任务实施过程的评估提供了有力的支撑，提高了探测器月面活动的监控能力。在本文提出的成像仪器系统设计的基础上，补充或删减成像仪器系统的功能和配置，利用文中提出的成像分析和仿真验证方法，可为后续月球、火星等探测的成像观测任务总体设计、分析与验证提供参考。

（References）

［1］Francisco J Andolz.Lunar prospector mission handbook［M］.Sunnyvale，CA：Lockheed Martin Missiles&Space Co.，1998：458-481

［2］褚桂柏，张熇.月球探测器技术［M］.北京：中国科学技术出版社，2007：4-17 Chu Guibai，Zhang He.Lunar probe technology［M］. Beijing：China Science and Technology Press，2007：4-17（in Chinese）

［3］欧阳自远.月球科学概论［M］.北京：中国宇航出版社，2005：11-26 Ouyang Ziyuan.Generality of lunar science［M］.Beijing：China Astronautics Press，2005：11-26（in Chinese）

［4］Marien G J.Engineering design challenges of the lunar lander，AIAA 2004-5889［R］.Washington D.C.：AIAA，2004

［5］Sperling F B.Design and analysis of the Surveyor landing shock attenuation system，Paper 69-DE-46，A69-28848［R］.New York：ASME，1969

［6］Watson H，Murray B C，Brown H.The behavior of volatiles on the lunar surface［J］.Geophys.Res.，1961，66（9）：3033-3045

［7］Richard Vondrak，John Keller，Gordon Chin.Lunar Reconnaissance Orbiter（LRO）：observations for lunar exploration and science［J］.Space Science Reviews，2010，150（1/2/3/4）：7-22

［8］J N Maki，J F Bell，K E Herkenhoff，et al.Mars Exploration Rover engineering cameras［J］.Journal of Geophysical Research，2003，E12（108）：8071

［9］叶培建，彭兢.深空探测与我国深空探测展望［J］.中国工程科学，2006，8（10）：13-18 Ye Peijian，Peng Jing.Deep space exploration and its prospect in China［J］.Engineering Science，2006，8（10）：13-18（in Chinese）

［10］孙泽洲，张熇，吴学英，等.月球着陆探测器任务分析研究［J］.航天器工程，2010，19（5）：12-16 Sun Zezhou，Zhang He，Wu Xueying，et al.Misson analysis of a lunar soft lander［J］.Spacecraft Engineering，2010，19（5）：12-16（in Chinese）

［11］Kato M，Sasaki S，Tanaka K，et a1.The Japanese lunar mission Selene：science goals and present status［J］.Advances in Space Research，2008，42（2）：294-300

［12］孙泽洲，张廷新，张熇，等.嫦娥三号探测器的技术设计与成就［J］.中国科学技术科学，2014，44（4）：331-343 Sun Zezhou，Zhang Tingxin，Zhang He，et al.The technical design and achievements of Chang'e-3 probe［J］.Science China Technological Sciences，2014，44（4）：331-343（in Chinese）

（编辑：夏光）

Design and Verification for Imaging Observation Task of Lunar Explorer

ZOU Xin DENG Xiangjin ZHANG He CHEN Liping GU Zheng
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

In accordance with task characteristics of soft landing and rover survey for the lunar explorer，the task demand is analyzed and refined.The key processes are identified，including imaging observation task of lander powered descent，rover releasing and separation，lander/rover active state on the lunar surface and topography status of lunar surface.The design constraints are satisfied synchronizedly.The system design of imaging instruments is developed.Based on each key process of imaging observation task and combined with interrelationship among lunar surface status，explorer attitudes and illumination condition，the collocations，functions and performance parameters of visibility instruments are determined in the aspects of occlusion conditions of visual instruments'field of view，shadowed status of imaging object，consistency of video imageries，matching of data transmission and so on.This design has been verified by on-orbit Chang'e-3 lunar explorer，and provides the supports for judgment and analysis of explorer state and assessment of implementation process.It can be used as a reference for imaging observation task of deep space exploration.

lunar explorer；lander；rover；imagingobservation task

V476.3

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.003

2015-01-15；

：2015-06-11

国家重大科技专项工程

邹昕，女，工程师，从事航天器总体设计及有效载荷总体设计工作。Email：zouxin501@163.com。