葛丹桐，崔平遠(yuǎn)

（1. 深空自主導(dǎo)航與控制工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 北京理工大學(xué)　深空探測(cè)技術(shù)研究所，北京 100081）

地外天體著陸點(diǎn)選擇綜述與展望

葛丹桐1，2，崔平遠(yuǎn)1，2

（1. 深空自主導(dǎo)航與控制工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 北京理工大學(xué)深空探測(cè)技術(shù)研究所，北京 100081）

行星表面具有科學(xué)研究價(jià)值的區(qū)域往往地形復(fù)雜，對(duì)著陸的安全性提出了很高的要求。如何選擇既滿足工程約束又具有很好科學(xué)價(jià)值的著陸點(diǎn)，在提高任務(wù)可靠性的同時(shí)獲得最優(yōu)的科學(xué)回報(bào)，成為未來行星著陸任務(wù)需要解決的首要問題之一?；仡櫫艘酝赝馓祗w著陸任務(wù)的著陸點(diǎn)分布情況，總結(jié)歸納了著陸點(diǎn)選取過程中需要考慮的因素，分析了當(dāng)前的研究現(xiàn)狀并給出一般選取流程，最后針對(duì)我國未來深空探測(cè)任務(wù)著陸點(diǎn)選擇問題提出了一些思考與建議。

行星探測(cè)；著陸點(diǎn)選??；安全著陸

引用格式：葛丹桐，崔平遠(yuǎn). 地外天體著陸點(diǎn)選擇綜述與展望［J］. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2016，3（3）：197-203.

Reference format: Ge D T， Cui P Y. Overview and prospect of planetary landing site selection ［J］. Journal of Deep Space Exploration， 2016， 3（3）：197-203.

0　引　言

深空探測(cè)為探索生命起源、宇宙演化提供了新的可能。半個(gè)世紀(jì)以來，人類已成功實(shí)現(xiàn)對(duì)月球、火星、小行星、彗星等太陽系天體的探測(cè)，涉及到的探測(cè)方式主要包括飛越、繞飛、著陸及巡視［1-3］。其中，著陸作為一種重要的探測(cè)方式，為人類了解地外天體的地質(zhì)成分與空間環(huán)境提供了有效途徑。從1959年前蘇聯(lián)發(fā)射的“月球2號(hào)”首次硬著陸在月球表面，到1969年“阿波羅11號(hào)”完成人類歷史上首個(gè)載人登月任務(wù)，再到21世紀(jì)初，世界航天大國相繼公布新一輪的探月計(jì)劃，月球著陸技術(shù)日益成熟［4］。我國“嫦娥4號(hào)”將于2018年發(fā)射，首次實(shí)現(xiàn)人類探測(cè)器月球背面軟著陸。與此同時(shí)，火星著陸任務(wù)也在同步進(jìn)行，1971年前蘇聯(lián)的“火星3號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)火星軟著陸，但在著陸后不久便與地面站失去聯(lián)系，1976年美國的“海盜1號(hào)”（Viking 1）是首個(gè)獲得成功的火星著陸器，隨后美國還相繼發(fā)射了“火星探路者號(hào)”（Mars Path Finder，MPF）［5］、“勇氣號(hào)”（Spirit）、“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）［6-7］、“鳳凰號(hào)”（Phoenix）［8］與“好奇號(hào)”（Curiosity）［9］著陸器，以及“火星全球勘測(cè)者”（Mars Global Surveyor，MGS）、“火星偵查軌道器”（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）［10］和“火星大氣與揮發(fā)演化”（Mars Atmosphere and Volatile Evolution，MAVEN）［11］探測(cè)器。2003年歐洲成功發(fā)射“火星快車”（Mars Express，MEX）空間探測(cè)器［12］，該探測(cè)計(jì)劃的環(huán)火軌道器部分運(yùn)行正常，而一同攜帶的“獵兔犬2號(hào)”（Beagle 2）著陸器卻在分離后失去聯(lián)系，直到2015年人們通過MRO拍攝的圖像再次在火星表面找到了它。此后，中國、俄羅斯、日本和印度也相繼開展了火星探測(cè)計(jì)劃。小行星探測(cè)方面，在經(jīng)歷了近距離飛越與低空繞軌勘探兩個(gè)階段后，現(xiàn)階段主要目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)小行星軟著陸與采樣返回［13］。2003年日本發(fā)射的“隼鳥號(hào)”（Hayabusa）探測(cè)器在經(jīng)歷一系列故障后成功采集樣本并返回地球［14］。除此之外，2004年歐空局發(fā)射了“羅塞塔”（Rossetta）探測(cè)器，其釋放的著陸器“菲萊”（Philae）在數(shù)次彈跳后著陸在67P彗星表面［15］。

未來行星著陸任務(wù)要求探測(cè)器安全精確著陸在更為復(fù)雜的行星表面，這不僅對(duì)導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)提出了極大的挑戰(zhàn)，也對(duì)著陸區(qū)提出了更高的要求［16-17］。著陸點(diǎn)在選擇時(shí)不僅需要考慮其科學(xué)探索價(jià)值，還要盡可能降低著陸風(fēng)險(xiǎn)。在任務(wù)規(guī)劃階段，需要根據(jù)已有的地形、光照、通信等情況對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行粗選取；當(dāng)探測(cè)器接近目標(biāo)天體后，可以獲知更為精確的地形信息，此時(shí)需要對(duì)著陸點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的精選?。?8］。盡管火星、月球及小行星的地表形貌特征存在顯著差異，但在為探測(cè)任務(wù)確定著陸點(diǎn)時(shí)，其所涉及到的關(guān)鍵因素以及選取過程大致相同。本文回顧了以往行星著陸任務(wù)中著陸點(diǎn)的分布情況及考慮因素，對(duì)行星著陸點(diǎn)選擇研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，給出著陸點(diǎn)的一般選取流程并分析了其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，最后針對(duì)我國未來行星著陸任務(wù)中著陸點(diǎn)的選擇提出幾點(diǎn)思考。

1　以往任務(wù)著陸點(diǎn)分布

著陸點(diǎn)的選擇是每個(gè)著陸任務(wù)都需要面對(duì)的重要難題，這個(gè)過程往往冗長且復(fù)雜，需要科學(xué)家和工程師經(jīng)過長時(shí)間的多次探討與篩選，最終得到適宜探測(cè)器著陸的最佳區(qū)域。截至目前，人類已成功實(shí)現(xiàn)一系列月球、火星及小行星著陸任務(wù)。以下將結(jié)合目標(biāo)天體的特點(diǎn)，對(duì)以往任務(wù)著陸點(diǎn)的分布情況進(jìn)行回顧。

1.1月球探測(cè)任務(wù)著陸點(diǎn)分布

如圖1所示，在以往的月球著陸任務(wù)中，美國與前蘇聯(lián)多將著陸點(diǎn)選取在月球赤道附近的陰暗地區(qū)，而對(duì)高緯度地區(qū)的探測(cè)相對(duì)較少。月球表面的陰暗區(qū)多為月海，其地勢(shì)寬闊平坦便于探測(cè)器著陸。由于自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期時(shí)長相同，月球總是以相同的一面朝向地球，考慮到對(duì)地的通信需求，目前所有的月球著陸任務(wù)均將著陸點(diǎn)選在了月球的正面。然而從已經(jīng)獲得的月球全球地形數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，月球的正面與背面具有顯著差異：月球正面地形平坦，月海面積約占半球面積的一半；而背面月陸居多，其表面撞擊坑密度更高，地形更崎嶇，著陸的風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)更大［19-20］。我國預(yù)計(jì)于2018年發(fā)射的“嫦娥4號(hào)”將實(shí)現(xiàn)人類歷史上首次月球背面軟著陸，同時(shí)為了解決通信問題，將提前在地月L2點(diǎn)放置一顆中繼衛(wèi)星以實(shí)現(xiàn)對(duì)地對(duì)月中繼通信。

圖1　月球著陸任務(wù)著陸區(qū)分布［21］Fig.1　Landing site dispersion in past lunar mission［21］

1.2火星探測(cè)任務(wù)著陸點(diǎn)分布

火星南北半球地形差異明顯，南半球多為古老的布滿隕石坑的高地，北半球則是更為年輕的平原?；鹦巧喜紳M了高低起伏的山脈與峽谷，以及大大小小的隕石坑、巖石與陡坡［22-23］，復(fù)雜的地形地貌在提供了巨大科學(xué)探索價(jià)值的同時(shí)，也為著陸探測(cè)帶來了挑戰(zhàn)。為了提高任務(wù)的成功率，降低著陸風(fēng)險(xiǎn)，目前大多數(shù)著陸任務(wù)都將著陸點(diǎn)選取在地勢(shì)相對(duì)平坦的北半球，如圖2所示。同時(shí)，為了保證有足夠的高度用來減速，所有的著陸點(diǎn)均位于海拔高度小于0 km的地區(qū)。著陸點(diǎn)的選擇與現(xiàn)有技術(shù)水平息息相關(guān)，在過去的幾十年里，隨著安全著陸技術(shù)的發(fā)展與提高，著陸精度不斷提升，著陸誤差橢圓不斷縮小，探測(cè)器能夠到達(dá)的地方越來越多，隨之帶來的科學(xué)回報(bào)也越來越高。

圖2　火星著陸任務(wù)著陸區(qū)分布［24］Fig.2　Landing site dispersion in past Mars mission［24］

1.3小行星探測(cè)任務(wù)著陸點(diǎn)分布

不同于月球與火星探測(cè)，小行星由于其個(gè)體的特殊性以及探測(cè)重復(fù)率低等原因，在任務(wù)發(fā)射前無法準(zhǔn)確獲知其地形信息，因此對(duì)于這類任務(wù)，著陸點(diǎn)選擇往往是在任務(wù)的執(zhí)行過程中進(jìn)行的，相對(duì)留給技術(shù)人員和科學(xué)團(tuán)隊(duì)的論證與決策時(shí)間也更少，相比于通常歷時(shí)幾年的火星著陸點(diǎn)選擇而言，小行星著陸點(diǎn)的選擇時(shí)間一般只有幾個(gè)月到幾周不等，為了能更好更快地選出合適的著陸點(diǎn)，地面人員需要在任務(wù)執(zhí)行前期進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，如商討確定合適的著陸點(diǎn)需要哪些信息等［25］。以2004年歐空局發(fā)射的“羅塞塔號(hào)”（Rosetta）任務(wù)為例，在經(jīng)過了10年飛行后，“羅塞塔”于2014年8月到達(dá)彗星67P附近。抵近過程中，地面人員充分利用“羅塞塔”攜帶的科學(xué)儀器（如OSIRIS、VIRTIS、MIRO、ROSINA、ALICE等）［26］對(duì)彗星上可能的著陸區(qū)進(jìn)行了分析，并在著陸前大約80天時(shí)提出了5個(gè)備選著陸區(qū)，如圖3所示，這些著陸區(qū)分布在67P彗星的兩端，地形平坦且均具有良好的光照情況。隨后地面人員針對(duì)這些著陸區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的軌跡分析、危險(xiǎn)性評(píng)估以及科學(xué)價(jià)值排序，最終將Site J定為著陸器“菲萊”（Philae）的著陸點(diǎn)［27］。

圖3　“羅塞塔”任務(wù)的5個(gè)備選著陸區(qū)［27］Fig.3　5 candidate landing sites in Rosetta mission［27］

2　考慮因素

總的來說，著陸點(diǎn)的選擇是安全性與科學(xué)價(jià)值的權(quán)衡結(jié)果［28］，它不僅是在已有數(shù)據(jù)與當(dāng)前技術(shù)約束下得到的最佳地點(diǎn)，同時(shí)還是科學(xué)團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)定的能獲得最高科學(xué)回報(bào)的地區(qū)?？偨Y(jié)歸納以往任務(wù)［5-6，29-30］，在選取著陸點(diǎn)時(shí)所需考慮的因素可以分為工程約束及潛在科學(xué)價(jià)值兩大類，以下將針對(duì)每類涉及到的因素進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1工程約束

工程約束通常指技術(shù)人員根據(jù)當(dāng)前探測(cè)技術(shù)的限制對(duì)著陸區(qū)提出的要求，主要從行星表面環(huán)境及著陸安全性兩方面考量，安全的著陸點(diǎn)一般具備以下特點(diǎn)：光照條件好，位于能夠獲得足夠太陽能且通信效果較好的緯度，海拔高度較低以實(shí)現(xiàn)著陸器充分減速，在距離星面幾千米高度范圍內(nèi)環(huán)境干擾較小，在高分辨率的地形圖中無明顯障礙物，低到中等巖石覆蓋率，坡度較小，表面平坦、有較好的雷達(dá)反射率以及較高的熱慣性，承重能力較好且塵土較少。

1）光照

在選擇安全著陸點(diǎn)時(shí)，光照是非常重要的因素，它與光學(xué)敏感器的導(dǎo)航性能、障礙檢測(cè)結(jié)果以及表面操作能源供給等多方面密不可分，長時(shí)間的光照為更豐富的科學(xué)活動(dòng)提供了可能。然而在挑選著陸點(diǎn)時(shí)，光照時(shí)間并不是越長越好。那些總是有光照的地方將無法觀察到日夜循環(huán)現(xiàn)象，同時(shí)持續(xù)的光照將導(dǎo)致星體表面及科學(xué)儀器溫度升高，從而損壞有效載荷，影響分析檢測(cè)效果［27］。

2）緯度

高緯度地區(qū)無法獲得充足的光照，進(jìn)而影響到探測(cè)車的能源供給。同時(shí)，較低的溫度也對(duì)熱控系統(tǒng)提出了更高的要求，在低溫環(huán)境下探測(cè)車需要消耗更多的能量產(chǎn)熱以維持整個(gè)系統(tǒng)的熱平衡，嚴(yán)重時(shí)甚至可能影響有效載荷的正常工作［6，31］。因此，系統(tǒng)對(duì)能量和溫度的需求情況直接影響了著陸點(diǎn)緯度的選取范圍。如圖4所示，在為火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）任務(wù)選取著陸點(diǎn)時(shí)，白色標(biāo)出的區(qū)域由于緯度過高直接從考慮范圍內(nèi)被剔除。

圖4　MSL著陸點(diǎn)選取過程中，白色與黑色部分由于緯度過高及高程高度不合適首先被剔除掉［9］Fig.4　In the MSL landing site selection process，the white and black part is eliminated first due to improper latitude and elevation［9］

3）高程

著陸點(diǎn)的高程決定了探測(cè)器減速的有效高度。對(duì)于下降速度較小或能夠快速實(shí)現(xiàn)減速的任務(wù)來說，著陸點(diǎn)高程并無特殊要求；而對(duì)于像火星著陸這類下降速度大、減速方式與能力有限的任務(wù)，則需要更長的距離來降低著陸速度，實(shí)現(xiàn)著陸器平穩(wěn)安全著陸［31］?？紤]到MSL著陸器的減速性能，技術(shù)人員在最初選擇著陸點(diǎn)時(shí)便根據(jù)高程劃定出選取范圍，圖4中黑色區(qū)域由于高程過高而不納入討論范疇。

4）環(huán)境干擾

在下降過程中如果遇上如突風(fēng)等較強(qiáng)的環(huán)境干擾，可能會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器運(yùn)動(dòng)軌跡偏離標(biāo)稱值且在水平或豎直方向具有一定的速度［32］。由于干擾大小無法提前預(yù)知，這對(duì)探測(cè)器的安全著陸構(gòu)成了極大的威脅。同時(shí)，行星表面的持續(xù)強(qiáng)風(fēng)還會(huì)影響探測(cè)車的正常運(yùn)作，影響恒溫系統(tǒng)，甚至導(dǎo)致探測(cè)車側(cè)翻。因此在選擇著陸點(diǎn)時(shí)，要求著陸區(qū)上空范圍環(huán)境干擾要盡可能小，同時(shí)在設(shè)計(jì)著陸系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)提高制導(dǎo)控制模塊對(duì)環(huán)境干擾的魯棒性，減小未知因素對(duì)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的影響。

5）表面環(huán)境

探測(cè)器受環(huán)境干擾、導(dǎo)航誤差等影響，最終將著陸在預(yù)定著陸點(diǎn)附近的著陸誤差橢圓內(nèi)，因此在選擇著陸點(diǎn)時(shí)，還需要根據(jù)估計(jì)的著陸誤差橢圓大小考察著陸點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)的區(qū)域是否滿足工程約束，主要包括巖石尺寸、坡度大小、表面粗糙度、雷達(dá)反射率、表面承重能力等［33-35］，對(duì)表面環(huán)境的具體約束取決于著陸方式、著陸器的結(jié)構(gòu)尺寸，以及對(duì)障礙物的容忍能力，這不僅關(guān)乎著陸的成敗，還對(duì)隨后探測(cè)車的移動(dòng)范圍以及能否順利開展預(yù)定的科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)至關(guān)重要。表1列舉了近年來成功著陸在火星表面探測(cè)器采用的著陸方式以及對(duì)著陸條件與環(huán)境的要求。

表1　以往火星著陸任務(wù)著陸情況［16］Table 1　Landing conditions of past Mars landing missions［16］

2.2科學(xué)價(jià)值

著陸區(qū)的科學(xué)價(jià)值通常通過對(duì)任務(wù)科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度來衡量。隨著行星探測(cè)次數(shù)的增加，探測(cè)目標(biāo)也從最初的了解空間與表面環(huán)境，獲取行星地形、地貌、地質(zhì)圖，實(shí)現(xiàn)軟著陸、采樣返回等任務(wù)，不斷深入并演變成探索天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、演化與成因，論證宇宙及生命起源假說，合理開發(fā)利用太空資源，為人類社會(huì)長期可持續(xù)發(fā)展尋找可靠支撐等等［36］。

一般來說，評(píng)估著陸區(qū)科學(xué)價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)有以下幾點(diǎn)［6，9，13］：1）提供科學(xué)探索的多樣性，在著陸區(qū)內(nèi)有盡可能多的形態(tài)學(xué)及礦物學(xué)科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，并且能夠與之前探測(cè)任務(wù)獲得的成果區(qū)分開；2）能夠獲得確知的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及巖石產(chǎn)生的年代，且環(huán)境條件能夠確保探測(cè)車完成預(yù)定的科學(xué)任務(wù)；3）通過采樣分析巖石和土壤能夠獲知環(huán)境氣候的演化過程，提供水存在的證據(jù)，驗(yàn)證已有地質(zhì)成因等假說；4）環(huán)境適宜于保留化石或其他保存生命特征的物質(zhì)，能夠研究早期留存下來的有機(jī)物或微觀結(jié)構(gòu)的演變過程等。

科學(xué)團(tuán)隊(duì)在選擇著陸區(qū)時(shí)，將根據(jù)提出的若干標(biāo)準(zhǔn)對(duì)備選著陸區(qū)進(jìn)行評(píng)估，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多重科學(xué)價(jià)值的區(qū)域往往更受青睞。科學(xué)家將備選區(qū)按照其探索價(jià)值大小排序，一般來說，排序靠前的備選區(qū)當(dāng)選為最終著陸區(qū)的可能性更大。

3　研究現(xiàn)狀

在月球、火星著陸任務(wù)中，由于目標(biāo)天體的地形信息能夠通過軌道器以及以往任務(wù)觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得，因此著陸點(diǎn)的選取工作一般在任務(wù)前期籌備階段進(jìn)行；而在小行星著陸任務(wù)中，由于無法提前獲取準(zhǔn)確的地形信息，著陸點(diǎn)的選取工作則一般在任務(wù)執(zhí)行過程中進(jìn)行。圖5給出了著陸點(diǎn)選擇的流程圖，根據(jù)已有月球、火星及小行星探測(cè)任務(wù)的選址經(jīng)驗(yàn)［9，27，30，37-38］，一般著陸點(diǎn)選取過程可以概括為：

圖5　著陸點(diǎn)選取流程Fig.5　Landing site selection process

首先，技術(shù)人員根據(jù)任務(wù)需要給出著陸區(qū)的工程參數(shù)要求，如緯度范圍、海拔高度、表面溫度、粗糙度、巖石覆蓋率、坡度等等，這些約束能夠提高著陸任務(wù)的安全性并確保探測(cè)車在目標(biāo)天體表面的順利移動(dòng)，是開展科學(xué)探測(cè)的首要保障。

在此基礎(chǔ)上，科學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)此次提出的科學(xué)目標(biāo)以及探測(cè)器攜帶的有效載荷，結(jié)合已有地形信息，提出一系列滿足要求的著陸區(qū)，并根據(jù)其科學(xué)價(jià)值進(jìn)行排序，這一排序結(jié)果決定了隨后利用軌道器獲取高分辨率地形圖像的先后次序，這些三維地形數(shù)據(jù)為科學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評(píng)估著陸區(qū)科學(xué)回報(bào)提供更為詳盡信息的同時(shí)，也為技術(shù)人員尋找安全著陸點(diǎn)提供了可靠的依據(jù)。

在隨后的討論中，除了不斷篩選著陸點(diǎn)，還會(huì)有新的著陸點(diǎn)被提出并一起納入考慮。隨著選取工作的深入，工程約束會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與細(xì)化，備選著陸區(qū)帶來的科學(xué)回報(bào)也會(huì)越來越明確，通過反復(fù)對(duì)備選區(qū)滿足工程約束情況以及科學(xué)探索價(jià)值進(jìn)行論證，一般來說，會(huì)有大約4～6個(gè)備選著陸點(diǎn)進(jìn)入到最后的選擇階段，將這些備選點(diǎn)按照科學(xué)價(jià)值大小進(jìn)行排序，最終在現(xiàn)有技術(shù)下能夠?qū)崿F(xiàn)安全著陸并且獲得最大科學(xué)回報(bào)的著陸點(diǎn)將當(dāng)選為任務(wù)的目標(biāo)著陸點(diǎn)。

著陸點(diǎn)在選擇時(shí)需要結(jié)合前后任務(wù)的完成情況。對(duì)于同一個(gè)探測(cè)目標(biāo)天體來說，每次著陸任務(wù)選取的著陸點(diǎn)均是密切相關(guān)的。一次任務(wù)的著陸點(diǎn)選取往往影響到對(duì)之后任務(wù)可能著陸區(qū)的觀測(cè)。例如月球上笛卡爾地區(qū)由于具有極高的探測(cè)價(jià)值被作為“阿波羅”系列任務(wù)優(yōu)先考慮的探測(cè)目標(biāo)，但難以根據(jù)已有資料確定其是否能夠?qū)崿F(xiàn)安全著陸，因此“阿波羅14號(hào)”在下降過程中對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)，最終該地成為了“阿波羅16號(hào)”任務(wù)的著陸點(diǎn)［39-40］。此外，在為某一次任務(wù)選取著陸點(diǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生一系列備選著陸點(diǎn)，落選的著陸點(diǎn)可能成為后續(xù)任務(wù)的首選著陸點(diǎn)重新納入考慮。出于對(duì)技術(shù)驗(yàn)證或科學(xué)價(jià)值最大化的考慮，已完成的著陸任務(wù)對(duì)正在進(jìn)行任務(wù)的著陸點(diǎn)選擇也會(huì)造成影響。在成功實(shí)現(xiàn)目標(biāo)天體軟著陸后，后續(xù)任務(wù)就需要著力于提高著陸精度，探索更復(fù)雜更有科學(xué)價(jià)值的區(qū)域。

多年來，著陸探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展為著陸點(diǎn)的選擇提供了更多的可能。早期探測(cè)任務(wù)受行星表面測(cè)量技術(shù)的限制，能夠提前獲取的目標(biāo)天體圖像分辨率較低，無法準(zhǔn)確識(shí)別出較小尺度的地形障礙，對(duì)著陸區(qū)的科學(xué)價(jià)值評(píng)估也相對(duì)有限，因此要求著陸區(qū)平坦寬闊，且采用相對(duì)較為安全的著陸方式如氣囊以提高著陸任務(wù)在未知環(huán)境中的成功率。隨著技術(shù)的發(fā)展，搭載在軌道器上的相機(jī)分辨率不斷提升，2005年美國發(fā)射的火星偵查軌道器攜帶的HiRISE相機(jī)分辨率高達(dá)31cm/pix［10］，結(jié)合障礙識(shí)別算法及相關(guān)軟件［41-42］，能夠精確識(shí)別出火星表面對(duì)探測(cè)器構(gòu)成威脅的巖石、斜坡、隕石坑等障礙物，對(duì)著陸區(qū)帶來的科學(xué)回報(bào)也更為明確，成為了地面進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時(shí)不可或缺的重要參考依據(jù)。與此同時(shí)，自主導(dǎo)航制導(dǎo)與控制［43-44］、軌跡優(yōu)化與跟蹤［45-46］等精確著陸技術(shù)的進(jìn)步使得著陸誤差橢圓不斷縮小，任務(wù)對(duì)地形的要求也相對(duì)降低，因此著陸點(diǎn)可以設(shè)在更為復(fù)雜險(xiǎn)峻有更多科學(xué)探索價(jià)值的地區(qū)。此外，著陸點(diǎn)的選擇還受到科學(xué)載荷的約束。歐空局計(jì)劃于2018年向月球發(fā)射一個(gè)著陸器，并將著陸點(diǎn)選在南極點(diǎn)附近，該地區(qū)最顯著的優(yōu)點(diǎn)在于其具有長時(shí)間的光照以及良好的對(duì)地通信情況，并且附近黑暗的隕石坑具有科學(xué)探索價(jià)值。由于放射性同位素技術(shù)在歐洲航天領(lǐng)域尚未發(fā)展完全，無法在發(fā)射日期前制作出能夠用于月球探測(cè)的放射性同位素加熱裝置及熱電發(fā)電機(jī)，著陸器只能依靠自身存儲(chǔ)的電能度過寒冷的黑夜，因此在為該任務(wù)選取著陸點(diǎn)時(shí)，光照條件便成了首先需要考慮的因素之一［37］。

4　未來展望

目前我國已成功發(fā)射“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”軌道器，“嫦娥3號(hào)”也已順利軟著陸在月球表面，“嫦娥4號(hào)”預(yù)計(jì)于2018年發(fā)射，屆時(shí)將實(shí)現(xiàn)人類探測(cè)器首次著陸在月球背面，同時(shí)“嫦娥5號(hào)”也正在緊張的研制當(dāng)中，預(yù)計(jì)于2017年前后在海南發(fā)射，實(shí)現(xiàn)月球取樣并返回地球。“嫦娥”系列月球探測(cè)工程的順利實(shí)施為我國未來深空探測(cè)打下了良好的基礎(chǔ)，然而以現(xiàn)有的技術(shù)要實(shí)現(xiàn)月球以外的天體探測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。未來地外天體著陸任務(wù)對(duì)地形測(cè)繪、著陸區(qū)選擇、精確著陸等方面均提出了很高的要求，以下針對(duì)我國深空探測(cè)任務(wù)著陸點(diǎn)選取提出幾點(diǎn)建議：1）我國需要依靠自主技術(shù)獲取目標(biāo)天體的高分辨率地形數(shù)據(jù)，為此需要提高軌道器定軌定姿精度、在軌觀測(cè)能力、光學(xué)傳感器工藝水平以及地形測(cè)繪技術(shù)；2）針對(duì)未來可能的著陸任務(wù)形成一套完整的著陸點(diǎn)評(píng)估方案與選擇體系，這其中包括工程約束的完善以及科學(xué)價(jià)值的評(píng)估，組建相互獨(dú)立又緊密聯(lián)系的技術(shù)團(tuán)隊(duì)與科學(xué)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合我國現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確快速給出可行的探測(cè)范圍與科學(xué)目標(biāo)；3）不斷發(fā)展地外天體精確著陸技術(shù)，縮小著陸橢圓，為著陸區(qū)的選取提供更多的可能性，同時(shí)提高探測(cè)器安全著陸能力，以探索具有更高科學(xué)價(jià)值的區(qū)域；4）積極開展國際合作，學(xué)習(xí)借鑒歐美等航天大國的豐富選址經(jīng)驗(yàn)以及先進(jìn)的量測(cè)與著陸技術(shù)，為我國深空探測(cè)事業(yè)提供參考依據(jù)。

5　結(jié)束語

地外天體探測(cè)為人類了解生命起源及宇宙演化等提供了更為直觀的方式與途徑，為了更好實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)，未來著陸任務(wù)要求探測(cè)器在保障安全著陸的前提下，降落在具有很高科學(xué)回報(bào)的地區(qū)，故而著陸點(diǎn)的選取成為整個(gè)任務(wù)中最關(guān)鍵的一環(huán)。本文分別給出了以往月球、火星及小行星著陸任務(wù)的著陸點(diǎn)分布情況，分析了決定著陸點(diǎn)選取的兩大關(guān)鍵因素——工程約束及科學(xué)價(jià)值，給出當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，歸納得出著陸點(diǎn)的一般選取流程及與著陸點(diǎn)選擇相關(guān)的技術(shù)，最后針對(duì)我國未來深空探測(cè)任務(wù)的著陸點(diǎn)選取進(jìn)行了展望并給出了幾點(diǎn)建議。

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通信地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街5號(hào)，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院（100081）

電話：（010）68918910

E-mail：gedt@bit.edu.cn

崔平遠(yuǎn)（1961- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：飛行器自主導(dǎo)航與控制、深空探測(cè)器自主技術(shù)與軌道設(shè)計(jì)。

通信地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街5號(hào)，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院（100081）

電話：（010）68918611

E-mail：cuipy@bit.edu.cn

Overview and Prospect of Planetary Landing Site Selection

GE Dantong1，2，CUI Pingyuan1，2
（1. Key Laboratory of Autonomous Navigation and Control for Deep Space Exploration，Ministry of Industry and Information Technology，Beijing 100081，China；2. Institute of Deep Space Exploration，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

In planetary exploration， areas of scientific interest are usually full of hazards， which sets high requirements on landing safety. How to choose a proper landing site under engineering constraints and science objectives， while improving the reliability of the mission and obtaining high science return， has become one of the primary problems to be solved in future landing missions. In this paper， the landing site distributions in the past missions are reviewed， followed by a summary of the factors considered in the landing site selection process. After analyzing the current development situation， a general selection process of planetary landing sites is given. At last， some thoughts and suggestions on the landing site selection problem in future deep space exploration missions are presented.

planetary exploration；landing site selection；safe landing

V47

A

2095-7777（2016）03-0197-7

10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.001

葛丹桐（1992- ），女，博士生，主要研究方向：行星探測(cè)制導(dǎo)與控制、安全著陸與障礙規(guī)避。

［責(zé)任編輯：宋宏］

2016-05-31；

2016-06-17

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目（2012CB720000）；國家自然科學(xué)基金（61374216，61304226，61304248）