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      基于多因子綜合評(píng)估的月球探測軟著陸區(qū)域及最佳巡航路線分析

      2018-05-22 00:43:47牟乃夏李潔孟治國張靈先劉文寶
      深空探測學(xué)報(bào) 2018年1期
      關(guān)鍵詞:著陸點(diǎn)卡門坡度

      牟乃夏,李潔,孟治國,張靈先,劉文寶

      (1. 山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2. 中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;3. 吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130026)

      0 引 言

      2013年12月15日“嫦娥3號(hào)”著陸器成功著陸于月球正面虹灣地區(qū),使中國成為世界第3個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的國家[1]。軟著陸探測是一種就位探測方式,可獲得比星載遙感探測更精細(xì)、更深入的探測結(jié)果[1-2]。月球表面的主要地形單元有月海盆地、月陸和撞擊坑[3],其中平坦的月海地形多分布于月球正面。從月球著陸的安全性考慮,首選為地勢相對(duì)平坦、通訊相對(duì)容易的月球正面,但從科學(xué)研究的角度考慮,分布有豐富地形的月球背面是更合適的地域選擇。如今雖然已有多顆環(huán)繞探測器對(duì)月球背面進(jìn)行了遙感探測,但仍未有宇航員或探測器就位探測過這一區(qū)域[4],對(duì)于它的地勢起伏、地形形成、礦物成分等仍知之甚少。例如位于南極–艾肯(South Pole-Aitken,SPA)盆地的“阿波羅”地區(qū)是研究月球背面的火山活動(dòng)的代表性區(qū)域[5],在月球背面Compton-Belkovich地區(qū),還探測到了爆裂式火山活動(dòng)的高硅產(chǎn)物[6-7],使得月球背面成為探測月球活動(dòng)的理想?yún)^(qū)域,也成為“ 嫦娥4號(hào)”探測月球的首選著陸地。因月球的自轉(zhuǎn)傾角僅為1.58 °,使得理論上在月球南極會(huì)形成接近極晝或永久照亮且晝夜溫差很小的地區(qū)[4,8]。該區(qū)域不僅擁有大量的平原盆地,而且也是月球背面含氧化亞鐵(FeO)和二氧化鈦(TiO2)的異常區(qū)域,擁有最古老的月球巖石,對(duì)研究月球地質(zhì)的形成具有很重要的意義[1,9]。

      當(dāng)前,Suveyor、Apollo、Luna、Chang’e-3已實(shí)現(xiàn)多次月表著陸探測,Lunokod 1巡視器著陸于雨海的西北部地區(qū),行駛距離達(dá)9.93 km,探測區(qū)域的絕對(duì)高差小于50 m,巡視路徑的地形坡度小于10 °,針對(duì)500多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了考察探測。在整個(gè)月球探測過程中,如何對(duì)月球進(jìn)行軟著陸的探測,如何對(duì)探測區(qū)域和探測路徑進(jìn)行評(píng)估是很重要的步驟。當(dāng)前針對(duì)月球探測著陸區(qū)域的研究方式呈多樣化發(fā)展,如徐鹍等曾利用表面積和投影面積之比所計(jì)算的地形粗糙度來評(píng)價(jià)區(qū)域的平整情況[10],孟治國等基于南極地區(qū)的微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)來制作南極地區(qū)微波輻射亮溫圖(37 GHz)用于探測分析[11],焦中虎等通過研究月球表面物質(zhì)的可見–近紅外光譜特征來分析月球巖石礦物組成及結(jié)構(gòu),從而輔助月球探測區(qū)域的選取[12],張健等通過分析SPA盆地形貌和構(gòu)造特征、物質(zhì)組成及其分布特征,以及形成機(jī)制等探測早期月球的形成演化[13]等。

      但是,當(dāng)前的著陸探測路線選擇沒有固定的方法,且考慮因素大多比較單一,缺乏一個(gè)完整的月球著陸區(qū)探測路線選擇的評(píng)估體系。因此,本文以月球背面的南極–艾肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑作為研究區(qū)域,綜合使用多種因子的探測分析,得出月球探測器的最佳著陸區(qū)域及在安全著陸區(qū)域內(nèi)的最佳探測路線。本文首次提出了多因子分析技術(shù),為月球探測器著陸和巡航路線的規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù),并為后續(xù)的月球探測工作提供了科學(xué)的技術(shù)支持。

      1 研究區(qū)概況

      研究區(qū)域?yàn)槲挥谠虑虮趁婺蠘O–艾肯盆地內(nèi)的馮·卡門(Von Kármán)撞擊坑,研究范圍為171°E~177°W,41°S~49°S。SPA盆地是太陽系中規(guī)模最大、最古老的撞擊盆地,擁有原始月殼巖石,也是最可能挖出月幔物質(zhì)的盆地,直徑達(dá)2 000~2 600 km,盆地內(nèi)部地形復(fù)雜,擁有眾多大型撞擊地形,且含有較高的鐵(Fe)和鈦(Ti)等化學(xué)元素[1,8,14],具有較高的科學(xué)研究價(jià)值。馮·卡門撞擊坑位于艾肯盆地的中部,是SPA盆地中的典型地貌類型,氧化亞鐵(FeO)和二氧化鈦(TiO2)的含量也較高,且高程相對(duì)于盆地內(nèi)的其他地區(qū)較低。該撞擊坑直徑約為186 km,中心坐標(biāo)為(44.8°S,175.9°E),如圖1所示。

      源數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局(NASA)月球表面的原始影像數(shù)據(jù)和通過月球軌道器激光測高儀LOLA獲取的DEM(Digital Elevation Model)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),本文實(shí)驗(yàn)所用的影像數(shù)據(jù)是基于原始影像進(jìn)行裁剪和拼接生成的。

      2 基于多因子的評(píng)估分析

      選擇合理的探月登陸區(qū)域和航行器巡航路線需要綜合考慮多方面的因素,在軟著陸高安全性的前提下,還需要盡可能地從科學(xué)研究層面進(jìn)行區(qū)域和路線設(shè)計(jì)。本文的評(píng)估內(nèi)容主要分為兩個(gè)部分:選取安全區(qū)域和評(píng)估最佳巡航路線。其中有關(guān)安全區(qū)域的評(píng)估因子有:撞擊坑的密度、撞擊坑的影響區(qū)域、整個(gè)區(qū)域的平整情況和部分區(qū)域的平整情況等,本文以地形坡度大小判斷研究區(qū)域內(nèi)的地形起伏情況,坡度越小地勢越平緩。在已選擇合適的安全區(qū)域的前提下,巡航路線選擇的評(píng)估因子有:區(qū)域的垂直結(jié)構(gòu)、巖石屬性和元素含量因子。完整的評(píng)估流程如圖2所示。

      圖1 馮·卡門撞擊坑Fig. 1 Von Kármán crater

      圖2 月球探測評(píng)估流程圖Fig. 2 Flow chart of the assessment of the moon

      在選取安全區(qū)域的過程中,首先需要從整體的角度觀察地形的走向以及起伏情況;然后基于馮·卡門地區(qū)的地形坡度圖進(jìn)行坡度分級(jí),分為 < 2°、< 4°、< 6°和 > 6° 共4級(jí)不同坡度等級(jí)軟著陸選擇區(qū);再針對(duì)撞擊坑數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)分析和距離分析;最后將每個(gè)因子所得的分析結(jié)果進(jìn)行綜合疊加分析,最終得到合適的安全著陸區(qū)域。

      首先需要在選取的安全區(qū)域中假定A、B、C為3個(gè)著陸點(diǎn),并為其規(guī)劃巡航路線,然后基于每條巡航路線做剖面分析,分析該航線所經(jīng)區(qū)域的高程變化大小、地質(zhì)巖石屬性以及金屬元素的含量大小,最終綜合分析出最佳巡航路線。

      2.1 安全著陸區(qū)域的選取

      2.1.1 擬合馮·卡門區(qū)域的三維地形

      馮·卡門撞擊坑內(nèi)的高程差達(dá)7 000多m,地勢起伏較大,地形較豐富。若要對(duì)月球探測的安全區(qū)域進(jìn)行評(píng)估,首先需要從整體的視角通過擬合該地區(qū)的三維模型觀察研究區(qū)域的平整情況。數(shù)字高程模型是后續(xù)DEM分析的基礎(chǔ),也可以輔助我們更直觀地掌握馮·卡門撞擊坑內(nèi)的起伏情況,擬合結(jié)果如圖3所示。

      從圖3的數(shù)字高程模型中可以明顯地看出,馮·卡門撞擊坑的底部地勢較平坦,且地勢低,擁有面積較大的盆地平原,是一個(gè)很好的著陸備選區(qū)。在撞擊坑的底部有一個(gè)明顯的中央峰,中央峰是由撞擊作用發(fā)生時(shí)反彈隆起而生成的,中央峰一般擁有下月殼的成分,對(duì)于地質(zhì)研究有重要的意義。因此本文將主要針對(duì)馮·卡門底部的盆地平原執(zhí)行后續(xù)的分析。

      圖3 馮·卡門撞擊坑三維高程模型Fig. 3 Von Kármán’s three-dimensional elevation model

      2.1.2 坡度分析

      在著陸車的巡航區(qū)域內(nèi),若地形坡度過大,將會(huì)導(dǎo)致巡航車行駛艱難,故需要選擇坡度較小的區(qū)域。在前蘇聯(lián)“月球1號(hào)”巡視器巡視月球表面的過程中,巡視路徑的坡度一般低于10°[14],為提高月球車行駛的安全系數(shù),本文對(duì)坡度安全性的劃分如下

      其中 < 6°的區(qū)域又劃分為4° < 坡度 < 6°、2° < 坡度 <4°和坡度 < 2° 3個(gè)不同的安全等級(jí),當(dāng)坡度越小時(shí),安全等級(jí)越高?;贒EM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析,并按照上文進(jìn)行坡度等級(jí)劃分,結(jié)果如圖4所示。馮·卡門撞擊坑內(nèi)的坡度小于2°的區(qū)域最大,占全區(qū)域的48.5%;邊緣區(qū)域坡度起伏較大且坡度低的區(qū)域面積較小,不利于探測著陸車的巡視。相比較而言,撞擊坑的底部除中心的中央峰區(qū)域外,其余部分的坡度大多小于2°,地勢起伏較小,且面積較大,符合實(shí)際應(yīng)用要求。

      圖4 馮·卡門地區(qū)坡度等級(jí)圖Fig. 4 Slope grade map of Von Kármán area

      2.1.3 撞擊坑影響區(qū)域

      從圖1可以看出,在馮·卡門區(qū)域內(nèi)仍有很多撞擊坑存在,其中大型撞擊坑主要集中在西南區(qū)域,坑底主要聚集小型撞擊坑。若撞擊坑過大,會(huì)導(dǎo)致著陸車無法正常行走,發(fā)生翻車狀況,所以必須去除該部分區(qū)域。本文針對(duì)底部的盆地平原區(qū)域提取了撞擊坑的矢量數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行緩沖區(qū)分析。參考“嫦娥3號(hào)”的著陸區(qū)范圍,以50 m作為緩沖半徑(即允許降落誤差的范圍)對(duì)撞擊坑進(jìn)行緩沖區(qū)分析[14-16],得到撞擊坑的影響區(qū)域如圖5所示。

      圖5 撞擊坑的覆蓋范圍Fig. 5 Coverage of the crater

      參考“嫦娥3號(hào)”的著陸分析和國外其他軟著陸的經(jīng)驗(yàn),軟著陸的地點(diǎn)需要在遠(yuǎn)離大型撞擊坑的基礎(chǔ)上,盡量靠近小型撞擊坑。為滿足此需求,首先對(duì)撞擊坑的數(shù)量密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以經(jīng)差和緯差各2°的標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)域劃分為24個(gè)區(qū)域,如圖5所示,編號(hào)從左至右,從上至下分別為1~24號(hào)區(qū)域,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

      表1 每個(gè)區(qū)域撞擊坑的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Data statistics for percussion pits in each area

      由表1可以得出結(jié)論,坑底的北部區(qū)域撞擊坑的數(shù)量較少,相對(duì)地,南部地區(qū)的16和17號(hào)區(qū)域的撞擊坑數(shù)量較多且多為小型撞擊坑,所以著陸區(qū)域需要盡量選擇在16、17號(hào)區(qū)域內(nèi)。

      然后對(duì)撞擊坑的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行距離分析,得到以每個(gè)緩沖區(qū)為中心的柵格距離圖,其中將0~1 km劃分為最合適的著陸區(qū)域,之后安全等級(jí)依次按1~5、5~10、10~30、>30 km遞減,結(jié)果如圖6所示。安全的著陸區(qū)都集中在馮·卡門撞擊坑的底部,具體分布于8~11號(hào)區(qū)域和14~17號(hào)區(qū)域,且越靠近小型撞擊坑的位置安全系數(shù)越高。

      圖6 基于撞擊坑的柵格距離圖Fig. 6 Raster distance map based on crater

      2.1.4 多因子分析

      針對(duì)單個(gè)因子進(jìn)行分析后,綜合各種因素篩選出相對(duì)地勢平坦、坡度平緩、小型撞擊坑眾多且遠(yuǎn)離大型撞擊坑的區(qū)域。然后通過柵格疊加得出軟著陸區(qū)域的安全等級(jí)數(shù)據(jù)(安全區(qū)域需要除去撞擊坑的緩沖區(qū)域范圍),并將其劃分為4類,數(shù)值越大代表安全等級(jí)越高,結(jié)果如圖7所示。

      從圖7中可以觀察出,越邊緣地區(qū),著陸的安全系數(shù)越低。安全等級(jí)較高的區(qū)域大多分布在馮·卡門撞擊坑的盆地平原,且多聚集在16、17號(hào)區(qū)域。

      2.2 最佳巡航路線分析

      在以上分析中所得的安全區(qū)域內(nèi),假定著陸點(diǎn)A、B、C,并分別為其規(guī)劃巡航路線。然后通過對(duì)每一條巡航路線所經(jīng)區(qū)域剖面分析,對(duì)比分析不同巡航路線間撞擊坑垂直結(jié)構(gòu)以及化學(xué)元素含量和巖石屬性的不同,從而擬合最佳的巡航路線。假定的著陸點(diǎn)和待定的巡航路線如圖8所示。

      圖7 安全分析結(jié)果圖Fig. 7 Security analysis results

      圖8 著陸點(diǎn)和巡航路線圖Fig. 8 Landing and cruise road map

      2.2.1 垂直結(jié)構(gòu)

      基于研究區(qū)域的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面分析,從而獲得①②③巡航路線所經(jīng)區(qū)域的垂直結(jié)構(gòu)圖,即每條巡航路線隨著水平距離的變化而變化的高程。由圖9可知,著陸點(diǎn)A和著陸點(diǎn)B所經(jīng)區(qū)域的最大高程差均為45 m,著陸點(diǎn)C所經(jīng)區(qū)域的最大高程差為70 m。明顯地,巡航路線③所經(jīng)區(qū)域的高程差高于另外兩條路線,巡航路線①和②較利于著陸車的安全行駛。但對(duì)比巡航路線①和②的高程剖面圖,巡航路線①所經(jīng)區(qū)域的高程變化較緩慢,更利于著陸車的巡視。

      2.2.2 化學(xué)元素含量

      同樣地,基于化學(xué)元素含量數(shù)據(jù)[17](圖10所示)獲得每條巡航路線所經(jīng)區(qū)域的化學(xué)含量變化走勢圖,由圖10可知,馮·卡門地區(qū)的化學(xué)含量異于南極–艾肯盆地的其他地區(qū),含量較高。在馮·卡門的內(nèi)部,盆地平原明顯比邊緣區(qū)域的含量高,尤其是在底部的西南區(qū)域。由圖11可知,為著陸點(diǎn)B所規(guī)劃的巡航路線②所經(jīng)區(qū)域的元素含量最高,高達(dá)20.5,其余兩條路線的元素含量相差無幾,最高值均在15左右,顯然巡航路線②更符合條件。

      圖9 巡航路線的垂直結(jié)構(gòu)圖Fig. 9 Vertical structure of the cruise route

      圖10 馮·卡門撞擊坑內(nèi)的化學(xué)元素含量和巖性圖Fig. 10 Chemical element content and lithology Von Kármán

      從科學(xué)研究價(jià)值的角度考慮,選擇高程差值小,化學(xué)元素含量較高的區(qū)域最為合適。雖然巡航路線①的高程起伏更小,但巡航路線①和②高程差都為45 m(在當(dāng)今技術(shù)可接受的范圍內(nèi)),且巡航路線②的化學(xué)元素含量明顯高于路線①,因此著陸點(diǎn)B所在的巡航路線②最符合條件。另外,從圖7看出,巡航路線③途經(jīng)兩種巖石區(qū),更有利于地質(zhì)科學(xué)的研究,若從地質(zhì)學(xué)的角度考慮,著陸點(diǎn)C所在的巡航路線③最符合條件。

      圖11 巡航路線所經(jīng)區(qū)域的化學(xué)元素剖面圖Fig. 11 Section of the chemical elements in the area of the cruise route

      3 結(jié) 論

      本文主要研究了如何選取合適的安全著陸區(qū)域和最佳巡航路線,通過綜合評(píng)估安全因子:地勢整體和局部的平整性、撞擊坑的密度和撞擊坑的影響范圍,得到安全著陸的范圍。在已知安全范圍的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)考慮巡航路線所經(jīng)區(qū)域的地勢起伏、化學(xué)元素含量和巖石屬性等因素。最終結(jié)果表明,從安全性和化學(xué)元素研究的角度考慮,路線②是最好的選擇,若從地質(zhì)學(xué)研究的角度考慮,在70 m的高程差是可接納范圍的前提下,路線③是最好的選擇。

      致謝感謝美國國家航空航天局(NASA)公開的月球遙感影像共享數(shù)據(jù)和馬里蘭州的戈達(dá)德空間飛行中心(Goddard Space Flight Center)研制的月球軌道器激光測高儀(LOLA)所提供的月球表面的DEM數(shù)據(jù)。

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