沈超 王曉博 羅偉 吳世通 黃偉

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

（2 北京華航無(wú)線電測(cè)量研究所，北京 100013）

0 引言

“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了月球著陸，為我國(guó)探月工程的采樣返回和載人登月奠定了重要基礎(chǔ)。由于月球沒(méi)有大氣，月球著陸器在月面著陸過(guò)程中無(wú)法利用降落傘實(shí)現(xiàn)減速，只能利用制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)減速，并采用機(jī)械式軟著陸緩沖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)月面著陸[1]。為實(shí)現(xiàn)月球著陸器的著陸穩(wěn)定性，需通過(guò)各種敏感器來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)，如多普勒雷達(dá)、雷達(dá)高度計(jì)、激光高度計(jì)、CCD相機(jī)等著陸敏感器[2]。俄羅斯研制的“KAKTUS”伽瑪高度計(jì)是一種低高度敏感器，已成功應(yīng)用在聯(lián)盟TM飛船[3]；美國(guó)NASA的“自動(dòng)登陸和危險(xiǎn)避免技術(shù)”（ALHAT）項(xiàng)目正在研究雷達(dá)敏感器和激光高度計(jì)方面的新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)月球著陸器100m ～20km范圍內(nèi)的高度測(cè)量[4-8]；此外，美國(guó)在進(jìn)行Apollo航天器著陸技術(shù)研究時(shí)曾進(jìn)行觸桿式敏感器的測(cè)試，航天器降落過(guò)程中在觸桿觸地瞬間發(fā)出反推火箭點(diǎn)火信號(hào)，該觸桿也是一種低高度敏感器[3,9-10]。我國(guó)自主研制的伽瑪高度控制裝置已成功應(yīng)用于“神舟”號(hào)載人飛船，能實(shí)現(xiàn)0～20m低高度范圍內(nèi)的精確高度測(cè)量，當(dāng)返回艙降落至離地面1m左右高度時(shí)，伽瑪高度控制裝置能給反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火指令，從而實(shí)現(xiàn)返回艙的緩沖降落。

伽瑪關(guān)機(jī)敏感器的作用也是實(shí)現(xiàn)低高度的測(cè)量，其工作原理與伽瑪高度控制裝置相同并已成功應(yīng)用于“嫦娥三號(hào)”探測(cè)任務(wù)。伽瑪關(guān)機(jī)敏感器安裝于著陸器底板，其功能是在著陸器緩速下降至距月面3m左右高度時(shí)給出制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)指令，從而使著陸器以自由落體的方式實(shí)現(xiàn)安全著陸。雖然伽瑪關(guān)機(jī)敏感器與伽瑪高度控制裝置的工作原理相同，但是伽瑪高度控制裝置的應(yīng)用環(huán)境是地面大氣環(huán)境，而伽瑪關(guān)機(jī)敏感器的應(yīng)用環(huán)境是月球真空環(huán)境，其測(cè)高精度受返回艙或著陸器載體的不同和γ源劑量的不同會(huì)有很大影響，且伽瑪高度控制裝置僅針對(duì)返回艙1m左右高度的測(cè)高精度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，對(duì)3m左右高度的測(cè)高精度沒(méi)有試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[11]中提到當(dāng)航天器縱軸與地面不垂直時(shí)會(huì)造成點(diǎn)火高度的偏差，而著陸器在月面下降過(guò)程中也不可能始終保持水平姿態(tài)，其下降過(guò)程中不同的傾斜姿態(tài)會(huì)對(duì)伽瑪關(guān)機(jī)敏感器的測(cè)高精度產(chǎn)生不同的影響。為了使著陸器能夠安全著陸，盡可能的減小著陸沖擊，需要獲得伽瑪關(guān)機(jī)敏感器在以著陸器為載體時(shí)，著陸器不同傾斜狀態(tài)對(duì)其測(cè)高精度的影響程度，本文重點(diǎn)分析3m左右高度的測(cè)高精度，從而實(shí)現(xiàn)伽瑪關(guān)機(jī)敏感器關(guān)機(jī)高度的精確測(cè)量。

1 測(cè)高原理

伽瑪關(guān)機(jī)敏感器是一種通過(guò)γ光子計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)高度判別的低高度敏感器，它一般由發(fā)射器和接收處理器組成。伽瑪關(guān)機(jī)敏感器實(shí)現(xiàn)測(cè)距的物理模型如圖1所示。發(fā)射器內(nèi)裝γ源，它以輻射角Ψ向月面輻射γ光子；γ光子經(jīng)月面反射和散射后由接收處理器內(nèi)前端光電探測(cè)器中的NaI晶體接收；光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的頻率脈沖電信號(hào)，并由信號(hào)處理電路將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成高度信號(hào)。一定的高度與一定的計(jì)數(shù)頻率相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高度判別[12-14]。γ源的輻射角Ψ直接影響接收處理器接收的γ光子數(shù)[15]，發(fā)射器和接收處理器的水平距離d和垂直距離B也應(yīng)滿足一定的位置關(guān)系，從而使伽瑪關(guān)機(jī)敏感器具有較寬的高度測(cè)量范圍H。

圖1 伽瑪關(guān)機(jī)敏感器測(cè)距物理模型Fig. 1 The physical model of γ-sensor

伽瑪關(guān)機(jī)敏感器通過(guò)水平地面的靜態(tài)吊高試驗(yàn)獲得不同高度的頻率計(jì)數(shù)（即靜態(tài)特性曲線），利用頻率與高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)高度的調(diào)試。伽瑪關(guān)機(jī)敏感器在著陸器上的幾何布局是固定的，其關(guān)機(jī)指令高度也是在水平姿態(tài)下標(biāo)定的高度，而著陸器下降過(guò)程中的姿態(tài)可能發(fā)生變化，傾斜姿態(tài)相對(duì)水平姿態(tài)就會(huì)發(fā)生γ射線傳輸距離、輻射場(chǎng)面積及光電探測(cè)器光子接收面積等因素的變化，造成的γ光子計(jì)數(shù)頻率的變化將導(dǎo)致關(guān)機(jī)高度基準(zhǔn)參數(shù)的改變，致使接收處理器在傾斜姿態(tài)下與水平姿態(tài)下的γ光子計(jì)數(shù)頻率不同。從而致使傾斜姿態(tài)相對(duì)水平姿態(tài)時(shí)伽瑪關(guān)機(jī)敏感器的關(guān)機(jī)高度精度產(chǎn)生偏差。

2 試驗(yàn)方案

著陸器下降過(guò)程可能發(fā)生傾斜，月面著陸區(qū)也可能存在一定坡度，而著陸器月面下降過(guò)程通過(guò)姿態(tài)控制能保證其軸線與月面垂線夾角小于4°，月面著陸區(qū)的選擇能保證其月面坡度小于8°，但是伽瑪關(guān)機(jī)敏感器是在水平地面進(jìn)行其計(jì)數(shù)頻率的標(biāo)定，因此可以認(rèn)為著陸器在下降過(guò)程中其軸線與月面垂線的夾角不大于 12°。為確定著陸器傾斜狀態(tài)對(duì)伽瑪關(guān)機(jī)敏感器測(cè)高精度的影響，將伽瑪關(guān)機(jī)敏感器安裝于著陸模擬器上進(jìn)行著陸器不同傾斜角度時(shí)的精度驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得伽瑪關(guān)機(jī)敏感器在著陸器不同傾斜角度時(shí)的靜態(tài)特性數(shù)據(jù)，確定著陸器傾斜狀態(tài)引起γ光子計(jì)數(shù)頻率的變化規(guī)律以及對(duì)測(cè)高精度的影響程度。

伽瑪關(guān)機(jī)敏感器在著陸模擬器上的安裝布局如圖2所示。

為了獲得各個(gè)方向不同傾斜角度時(shí)的靜態(tài)特性數(shù)據(jù)，使著陸模擬器分別進(jìn)行水平狀態(tài)和繞Y、Z軸分別傾斜±4°、±8°和±12°共13個(gè)狀態(tài)的精度驗(yàn)證試驗(yàn)，并定義著陸模擬器繞+Y、+Z軸沿X軸正向傾斜為正角度傾斜，沿X軸負(fù)向傾斜為負(fù)角度傾斜，每個(gè)狀態(tài)由低到高在1.1～10m內(nèi)共進(jìn)行21個(gè)高度點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)下的計(jì)數(shù)頻率測(cè)量，通過(guò)不同傾斜狀態(tài)與水平狀態(tài)時(shí)的關(guān)機(jī)高度比較分析傾斜狀態(tài)引起的關(guān)機(jī)高度精度誤差。

圖2 伽瑪關(guān)機(jī)敏感器安裝布局Fig. 2 The layout of γ-sensor

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)獲得著陸模擬器繞Y、Z軸傾斜±4°、±8°和±12°時(shí)的靜態(tài)特性曲線比較如圖3～5所示，從整體數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)不同傾斜角度時(shí)的計(jì)數(shù)頻率與水平狀態(tài)時(shí)差異不大。

由不同傾斜角度時(shí)的靜態(tài)特性曲線可以看出，高度較高時(shí)，傾斜角度對(duì)計(jì)數(shù)率的影響較小，在 5m以下高度時(shí)傾斜角度對(duì)計(jì)數(shù)率有一定影響。由于伽瑪關(guān)機(jī)敏感器需要在3m左右給出關(guān)機(jī)指令，本文重點(diǎn)關(guān)注著陸模擬器傾斜狀態(tài)時(shí)在3m左右的計(jì)數(shù)頻率變化規(guī)律，將3m左右處的靜態(tài)特性曲線局部放大，不同傾斜角度時(shí)與水平狀態(tài)時(shí)的計(jì)數(shù)頻率差異如圖6～8所示。

從圖6～8中不同傾斜角度與水平狀態(tài)的頻率計(jì)數(shù)差異分析可以得出：1）繞Y軸傾斜不同角度時(shí)引起的計(jì)數(shù)頻率偏差較小且基本一致；2）繞Z軸傾斜時(shí)引起的計(jì)數(shù)頻率偏差比繞Y軸傾斜時(shí)普遍偏大，且隨著傾斜角度的增大偏差逐漸增大；3）繞 Z軸負(fù)角度傾斜時(shí)的計(jì)數(shù)頻率均小于水平姿態(tài)時(shí)的計(jì)數(shù)頻率，繞Z軸正角度傾斜時(shí)的計(jì)數(shù)頻率均大于水平姿態(tài)時(shí)的計(jì)數(shù)頻率。

圖3 傾斜4°時(shí)的靜態(tài)特性曲線Fig. 3 The characteristic curve when the tilt angle is 4 degree

圖4 傾斜8°時(shí)的靜態(tài)特性曲線Fig. 4 The characteristic curve when the tilt angle is 8 degree

圖5 傾斜12°時(shí)的靜態(tài)特性曲線Fig. 5 The characteristic curve when the tilt angle is 12 degree

圖6 傾斜4°與水平狀態(tài)計(jì)數(shù)頻率差異Fig. 6 The comparison of frequency between the horizontal and 4 degree tilted states

圖7 傾斜8°與水平狀態(tài)計(jì)數(shù)頻率差異Fig. 7 The comparison of frequency between the horizontal and 8 degree tilted states

圖8 傾斜12°與水平狀態(tài)計(jì)數(shù)頻率差異Fig. 8 The comparison of frequency between the horizontal and 12 degree tilted states

為了確定不同傾斜狀態(tài)對(duì)關(guān)機(jī)高度的具體影響程度，將伽瑪關(guān)機(jī)敏感器按水平狀態(tài)靜態(tài)特性數(shù)據(jù)調(diào)試關(guān)機(jī)高度，再利用繞Y軸和繞Z軸不同角度傾斜時(shí)獲得的靜態(tài)特性數(shù)據(jù)對(duì)伽瑪關(guān)機(jī)敏感器進(jìn)行關(guān)機(jī)高度測(cè)試，得到不同傾斜角度時(shí)的關(guān)機(jī)高度情況（如圖9～10所示），并得到不同傾斜姿態(tài)引起的測(cè)高精度偏差見(jiàn)表1。

圖9 繞Y軸不同傾斜角度時(shí)關(guān)機(jī)高度Fig. 9 The shutdown height with different tilt angle around Y-axis

圖10 繞Z軸不同傾斜角度時(shí)關(guān)機(jī)高度Fig. 10 The shutdown height with different tilt angle around Z-axis

表1 不同傾斜狀態(tài)時(shí)測(cè)高精度偏差Tab. 1 The altitude error with different tilt positions

從圖9～10顯示的關(guān)機(jī)高度變化趨勢(shì)可以看出，在繞Y軸正角度或負(fù)角度傾斜時(shí)，隨著傾斜角度增大，關(guān)機(jī)高度分別都呈遞減趨勢(shì)，但在–12～+12°的變化區(qū)間內(nèi)，關(guān)機(jī)高度不是單調(diào)變化的，而繞Z軸傾斜時(shí)關(guān)機(jī)高度則隨傾斜角度的變化呈單調(diào)特性，繞Z軸傾斜–12°時(shí)引起的關(guān)機(jī)高度偏差最大。

實(shí)際上，基于γ射線的測(cè)距應(yīng)用技術(shù)主要是將γ射線與物質(zhì)相互作用中的康普頓散射形成的γ光子作為計(jì)數(shù)應(yīng)用，γ光子的計(jì)數(shù)率與距離的平方成反比，不同傾斜狀態(tài)使得 γ光子的輻射面積、接收處理器的接收角度以及發(fā)射器和接收處理器與著陸面的距離均發(fā)生了變化，從而引起計(jì)數(shù)頻率發(fā)生差異。

由于發(fā)射器和接收處理器安裝于同一側(cè)，當(dāng)著陸模擬器繞Y軸和Z軸進(jìn)行不同角度傾斜時(shí)，發(fā)射器和接收處理器的升降狀態(tài)不同。當(dāng)繞Y軸正角度傾斜時(shí)，發(fā)射器升高，接收處理器降低；當(dāng)繞Y軸負(fù)角度傾斜時(shí)，發(fā)射器降低，接收處理器升高。當(dāng)繞Z軸負(fù)角度傾斜時(shí)，發(fā)射器和接收處理器同時(shí)升高，可能引起計(jì)數(shù)率值偏??；當(dāng)繞Z軸正角度傾斜時(shí)，發(fā)射器和接收處理器同時(shí)降低，可能引起計(jì)數(shù)率值偏大。

4 結(jié)論

從著陸模擬器不同傾斜狀態(tài)的精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在著陸模擬器傾斜角度不大于 12°條件下，繞Z軸傾斜時(shí)的計(jì)數(shù)頻率和關(guān)機(jī)高度變化隨傾斜角度變化呈單調(diào)特性，繞Y軸傾斜時(shí)的計(jì)數(shù)頻率和關(guān)機(jī)高度變化則不具有單調(diào)性，繞Z軸傾斜–12°時(shí)引起的計(jì)數(shù)率和關(guān)機(jī)高度偏差最大，不同傾斜狀態(tài)引起的測(cè)高精度誤差絕對(duì)值不大于5.3%。

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[1] 蔣萬(wàn)松, 黃偉. 月球著陸器著陸穩(wěn)定性仿真分析[J]. 航天返回與遙感, 2010, 31（6）: 16-22. JIANG Wansong, HUANG Wei. Simulation Analysis of Landing Stability for Lunar Lander[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2010, 31（6）: 16-22. （in Chinese）

[2] 黃昊, 張熇 . 月球軟著陸探測(cè)的著陸敏感器選擇及相關(guān)問(wèn)題分析[C]. 中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第三屆學(xué)術(shù)會(huì)議, 2006. HUANG Hao, ZHANG He. The Choice of Landing Sensors and Analysis of Lunar Landing Exploration[C]. The Third Conference of Committee of Deep Space Exploration Technology, Chinese Society of Astronautics, 2006. （in Chinese）

[3] Dunn Catherine, Prakash Ravi. A Terminal Descent Sensor Trade Study Overview for the Orion Landing and Recovery System[R]. IEEEAC Paper 2038, NASA 20110007184, California: Jet Propulsion Laboratory, 2011.

[4] Amzajerdian Farzi, Petway Larry B, Hines Glenn D. Lidar Sensors for Autonomous Landing and Hazard Avoidance[R]. NF1676L-16053, NASA 20140002742, Hampton Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2014.

[5] Fassett C I, Head J W, Kadish S J. Lunar Impact Basins: Stratigraphy, Sequence and Ages from Superposed Impact Crater Populations Measured from Lunar Orbiter Laser Altimeter （LOLA） Data[R]. GSFC-E-DAA-TN8789, NASA 20130014881, Greenbelt MD: NASA Goddard Space Flight Center, 2013.

[6] Glenn Hines, George Lockard, Bruce Barnes. Navigation Doppler Lidar Sensor for Precision Altitude and Vector Velocity Measurements: Flight Test Results[C]. Sensors and Systems for Space Applications, Orlando, Florida: SPIE, 2011.

[7] Chen C W, Pollard B D. A Radar Terminal Descent Sensor for the Mars Science Laboratory mission[C]. Aerospace Conference, Montana: IEEE, 2009.

[8] Braun R D, Manning R M. Mars Exploration Entry, Descent and Landing Challenges[R]. NASA 20060050781, Pasadena: Jet Propulsion Laboratory, 2006.

[9] Lands J F. Development of a Terminal Landing Rocket System for Apollo-type Vehicles [J]. AIAA Journal of Pacecraft and Rockets, 1967, 4（3）: 333-338.

[10] Rogers W F. Apollo Experience Report-lunar Module Landing Gear Subsystem[R]. NASA-TN-D-6850, NASA 19720018253, Washington D.C.: Johnson Space Center, 1972.

[11] 黃偉. 反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制高度及其隨機(jī)偏差分析[J]. 航天返回與遙感, 2002, 23（3）: 6-10. HUANG Wei. An Initial Ignition Altitude for Retrorocket and its Random Deviation Analyzing[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2002, 23（3）: 6-10. （in Chinese）

[12] 安毓英, 曾曉東. 光電探測(cè)原理[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2004. AN Yuying, ZENG Xiaodong. Photoelectric Detection Principle[M]. Xi’an: Xidian University Publisher, 2004. （in Chinese）

[13] 任明巖, 胡海, 孫金英. 基于光電倍增管的光子計(jì)數(shù)儀設(shè)計(jì)[J]. 今日電子, 2007（2）: 72-73. REN Mingyan, HU Hai, SUN Jinying. Design of Photon Counting Devices Based on Photomultiplier Tube[J]. Electronic Products, 2007（2）: 72-73. （in Chinese）

[14] 王挺峰. 光子計(jì)數(shù)用光電倍增管的外圍工作電路[J]. 光機(jī)電信息, 2009, 26（2）: 39-43. WANG Tingfeng. Working Circuit of PMT in Photon Counting Systems[J]. Ome Information, 2009, 26（2）: 39-43. （in Chinese）

[15] 張楠, 吳世通, 沈超. γ源輻射角度對(duì)光子高度計(jì)性能的影響分析[J]. 航天返回與遙感, 2014（6）: 37-41. ZHANG Nan,WU Shitong, SHEN Chao. Analysis of Effect of γ Radiation Angle on the Photons Altimeter[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014（6）: 37-41. （in Chinese）