当探测器下降到距离小行星一定高度时探测器进入动力下降段

动力下降段与着陆段

当探测器下降到距离小行星一定高度时探测器进入动力下降段，动力下降段是主推力制动发动机与小推力制动发动机同时工作的全推力制动过程，主要目的是减少探测器水平方向分量、调整探测器的姿态；当探测器飞行距离小行星几千米高度时进入着陆段，着陆段由小推力制动发动机工作半推力制动，主要调整探测器姿态，保证在最终几百米高度时进入垂直下降[37]。

最终着陆段。当探测器飞行距离小行星几千米高度时进入着陆段，着陆段由小推力制动发动机工作半推力制动，主要调整探测器姿态，保证在最终几百米高度时进入垂直下降[37]。同时对着陆地点进行障碍检测，当着陆点不满足要求时，及时实行规避机动，避免危险的发生。

软着陆过程分为以下5个阶段：

1) 主减速段。该段的主要任务是消除较大的初始水平速度。根据导航结果，按照一定的制导律控制着陆器的轨道和姿态，使着陆器速度减小到预定值并到达期望的着陆区域上空。

2) 调姿下降段。根据导航结果，按照一定的制导律控制着陆器的轨道和姿态，使着陆器到达预定高度的速度接近于零，姿态接近垂直向下，且保证太阳帆板指向预定方向。

3) 悬停避障段。该段的主要任务是姿轨控发动机工作使得着陆器处于悬停状态，成像敏感器对着陆区域成像，GNC选择安全着陆区域; 然后，通过水平和垂向控制使着陆器平移下降至所选着陆区域上方预定高度。

4) 缓速下降段. 该段的主要任务是悬停避障结束后，按照一定的制导律控制着陆器的轨道和姿态，使得着陆器到达预定高度的速度接近于零，且保证着陆器在所选安全着陆区域上方。

5) 自由下落段。该段采用关机自由落体方式。

意义的补充

（1）研究飞行机制，避免潜在危害（2）探测组成成分，探索星系成因（3）寻找矿产资源，解决能源危机（4）搜寻有机物质，提供新的思路

使用的自主导航技术

理论依据与研究方法

深空探测器着陆小行星的运动过程，其理论依据离不开对运动学、动力学、飞行力学等物理力学方面的研究，在此基础上，要实现在小行星上的安全软着陆更需要稳定的控制系统，采用有效的控制算法，经过仿真实验，来验证控制系统的稳定性，从而，实现控制系统的制导与控制。深空探测器飞行距离远，时间长，环境未知性较强，传统上依靠地面测控的航天器制导律与控制方法在实时性、成本和资源上受到种种限制，存在很多不足，很难满足深空探测一些特殊任务对高精度制导与控制的需要。为此，深空探测自主导航、制导与控制技术受到人们的关注，在深空探测任务中不断取得进展，成为保证深空探测任务成功实施的关键技术。

信息采集

在自主导航系统组成部分中，导航敏感器是各组成部分的关键器件。为了满足对各种类型小天体的探测任务，人类研究了针对不同目标天体所需的导航敏感器，主要组成部分如图3-1所示。

（1）导航相机（Navigation Camera）

导航相机作为光学敏感器件，在探测器的自主导航系统中承担重要的任务，探测器对图像信息的采集需依靠导航相机的功能。导航相机中主要有6部分的功能元件：潜望镜；扫描镜；光学仪器；CCD探测仪；滤光部分和快门；电子元

件和控制元件。

（2）微型成像相机和分光计（Miniature Imaging Camera And Spectrometer）MICAS导航光学敏感器在深空1号探测任务中得到了应用。在MICAS的可视部分组成结构中主要包括两个设备：与标准CCD（Charge Coupled Device）相当的探测仪；较小的主动像元敏感器APS（Active Pixel Sensor）。由于CCD探测仪的视场范围较大，在距离目标小行星的距离较远采用CCD探测仪可达到较好视觉效果，当探测器在飞行接近小行星时，CCD探测仪成像视角已处于饱和状态，需借助APS敏感器。

（3）光学光谱和红外遥控成像系统（Optical Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System）

OSIRIS导航敏感器在罗塞塔号探测器任务中得到了应用。在OSIRIS导航敏感器的主要组成部分包括三个方面：窄视场相机系统、宽视场相机系统、两者共用的电子盒。其中导航目标以窄视场相机为系统的有：确定彗星的彗核旋转、彗核的体积和密度、对非引力大小进行评估、研究着陆点的地貌特性；导航目标以宽视场相机为系统的有：对彗星喷射物的质量和变化进行测量、确立彗星的物理特性[44]。

（4）穆蒂光谱成像仪（The Muti-Spectral Imager）

MSI的主要组成部分包括：帧频为1Hz的对可见光、CCD相机及一个数据处理单元。MSI在NEAR探测器上得到了运用，实现了对Eros小行星的体积大小和表面形态实现了测量。MSI的应用领域还包括探测器被目标天体引力捕获前期阶段[45]。

（5）激光探测器和测距仪（The Light Detection And Ranging instrument）LIDAR是脉冲激光雷达，运用于MUSES-C号探测任务中。LIDAR的主要功能是实现对目标小天体的引力大小、地貌形态进行测量。在探测器逐渐接近小行星的过程时，当到达距离小行星表面50km高度时，LIDAR不断地对小行星表面进行检测，并计算与探测器之间的距离，当计算得到两者之间小于50m时，探测器将采用LRF-Laser Range Finder（激光测距仪）测量探测器与小行星表面之间的距离[46]。

关于建模

引力场建模方法

为保证探测器安全软着陆，需对小行星特殊引力场进行分析。相比于其它的行星而言，小行星的形状不规则、引力较小，能否建立合理的引力场模型对探测器的动力学模型的建立显得至关重要。对小行星引力场建模的方法研究发现，可将这些建模方法分两类。

PCA-SIFT算法

上述着陆段的导航算法都存在一定的局限性,本文提出了一种利用PCA-SIFT算法提取的尺度不变特征点作为导唤陆标的自主导航算法。基于尺度不变特征点提取算法对于图像的缩放、旋转和光照都具有一定的鲁棒性,适用于匹配不同阶段拍摄的图像。PCA-SIFT是SIFT算法的改进,采用主元素分析法将128维的特征点描述符降低为20维,减少了存储量与特征点匹配的计算时间,且具有以下优势:(1)应用范围广,即使在没有明显弹坑、岩石的地表也能提取出稳定的特征点;(2)特征匹配率高,特征点描述符的特殊性使其能够在大量的特征点中进行匹配;(3)匹配精度可以达到亚像素级,并可采用RANSAC算法[11]消除误匹配。着陆段初期,利用拍摄的局部图像与小天体全景图像相匹配,结合小天体三维模型,确定探测器在小天体固连坐标系下的位置、姿态等信息;在着陆末端,利用拼接图像建立虚拟地图,即使在没有观测到目标着陆点的时候,也可以确定探测器相对于着陆点坐标系的位置。另一方面,将特征匹配算法与惯导信息进行融合,既克服特征点匹配算法计算量大的缺点,同时避免了惯导累积误差的影响,为精确着陆导航提供了保障。