嫦娥三号探测器成功登月 激光测距敏感器探路

　　2013年12月14日晚，举世瞩目的嫦娥三号探测器成功登月。嫦娥三号着陆器在着陆过程中，利用激光测距敏感器实时获取着陆过程中探测器与月面的精确距离，在100m的悬停过程中，利用激光扫描成像敏感器获取月面的高精度三维信息，为探测器提供安全的着陆点信息。中国科学院上海光学精密机械研究所为这两个激光敏感器提供了高可靠的、核心的小型全固态激光器和光纤激光器。这是上海光机所继嫦娥一号、二号以来，再次为我国探月工程做出贡献。

　　上海光机所研制的嫦娥三号激光测距敏感器激光器比嫦娥一号、二号的全固态激光器更加小型化和轻量化，并提供两个方向的激光束，同时提供远距离和近距离的测距能力，激光测距敏感器在整个落月过程中实时提供嫦娥三号与月球表面的距离数据。上海光机所研制的激光三维成像敏感器激光器是目前国际上首台面向空间应用的高重频、ns短脉冲的光纤激光器。利用激光三维成像敏感器获取了月球表面着落区域的高精度激光三维成像，为嫦娥三号安全着陆选择了合适的着陆地点。

　　激光器是空间激光应用系统中最核心的单机，也是确保航天激光应用成功的关键。嫦娥三号激光器的成功应用，标志着我所在空间激光器上面又上了一个台阶，也为不断探索新型空间激光器提供了强有力的技术保障和研制经验。

　　上海光机所是我国最早开展空间激光器的研制单位，近十年已经发射六台不同航天型号的空间全固态激光器，积累了良好的航天激光工程经验，培养了一支以年轻人为主的空间激光工程研制和管理队伍。

　　嫦娥落月如何“认路”?

　　与此前的嫦娥一号、二号不同的是，嫦娥三号探测器将择日实现首次落月，这也是我国航天器首次地外天体软着陆。“落”月也许只有短短的十多分钟，但却耗费研制团队惊心动魄的十年时间。记者从探测器诞生地——中国航天科技集团五院了解到，落月主要依靠着陆器自主控制，GNC分系统将发挥至关重要作用。

　　据了解，“落”月指的是着陆探测器自距离月面15km高度的近月点开始，至降落到月面为止的全过程，这段过程需要制导、导航与控制(GNC分系统)三方面的完美结合，是区别于探月一期和以往卫星任务的根本。

　　由于月球周围几乎没有大气，因此在落月过程中不能依靠降落伞，只能依靠发动机反推，以达到制动减速的目的。专家指出，由于地月距离远，测控延迟大，地面难以直接干预落月过程，只能依靠着陆器自主执行，这还是有相当的难度。

　　落月过程需要GNC创造性地依次解决三大难题：认路——选路——辨路。具体说来，“认路”就是给着陆器自身定位，即依靠着陆器自身携带的设备来确定其相对于月面的位置姿态;“选路”就是要事先规划好路径免走冤枉路，也就是说设计一条着陆轨迹，在满足姿态、光照等约束条件下尽量减少燃料的消耗;“辨路”就是要分辨并躲避路上的坑洼之处，与国外落月过程相比，即在没有宇航员的情况下自主分辨月面障碍并主动避开障碍，保证着陆器安全降落。

　　关于“认路”，着陆器面临的是一个几乎未知的目标——月球。因此，着陆器需要有“自问自答”的能力，要求着陆器对被测的月面目标有“去粗取精”功能。为此，五院着陆器GNC团队全新研制了激光测距敏感器和微波测距测速敏感器两种不同谱段的相对导航敏感器，以适应不同飞行高度和飞行速度下对相对位置和速度测量精度的要求。多种测量信息融合导航算法也为落月过程的精确相对导航提供了保证。

　　关于“选路”，与以往轨道设计不同的是，落月过程是一个集制导导航控制于一体的过程。整个过程需要始终开启主发动机。嫦娥三号着陆器GNC抓总单位——五院502所在充分调研并借鉴“阿波罗”计划、航天飞机等成功设计经验的基础上，根据着陆过程不同飞行阶段的特点，形成了多制导律结合的优化轨迹设计方案，兼顾了各飞行阶段切换的平稳性和燃料的最优性。

　　关于“辨路”，与美国“阿波罗”登月计划不同的是，“阿波罗”依靠宇航员识别月面障碍，而我国的嫦娥三号则采用无人软着陆，因此必须具有自主障碍识别能力。为此，GNC团队全新研制了激光三维成像敏感器代替人眼，在距离月面较近时获得待着陆区域精确的三维高程图信息，可精确分辨月面上比较小的障碍。同时，在距离月面较远时还增加了一个光学成像敏感器，用于在较大范围内识别较大尺寸的障碍。如此一来，形成了一套远近结合、粗精并用的接力避障策略，大大提高了着陆的安全性。

　　嫦娥落月靠“3只眼”

　　此番无人登月，“嫦娥”要靠自己的“眼睛”认路识途，其中多套探测仪器由中国科学院在沪相关研究所研制，守望落月登月全程。

　　嫦娥三号任务是我国探月工程“绕、落、回”三步走中的第二步，是承前启后的关键一步。在“绕月”阶段，中科院上海技术物理所、上海光学精密机械所为嫦娥卫星研制了“激光眼”——激光高度计，为我国首幅全月面三维图提供了高程，相当于地球上的海拔高度。即使在无可见光的月面环境下，激光计也能“拍摄”自如。

　　但比起距离月面一两百公里外的绕月，零距离接触的落月对激光测距精度和速度提出了极高要求。在我国探月初期，嫦娥卫星对月发射一束激光，在月面形成的“激光足印”约有120米方圆范围，而嫦娥三号激光测距的“足印”将小到米级，测量精度进一步提高，可实时监测嫦娥三号着陆器距离月面的高度。

　　除了这束“大激光”，“嫦娥”还有一道灵敏度极高的“小激光”。当“嫦娥”向月面释放着陆器，着陆器将在接近月面时，通过激光三维成像，进一步“观察地形”，获取正下方图像。如下方不适合降落，它就马上换一块地方，确保着陆点相对更为平坦。这种接近“现场直播”的实时成像需在数秒内完成，为此中科院上海技物所研制的三维成像系统采用了多源激光并扫、实时成像方法，这种实测方式是在着陆月球时首次应用。

　　两只“激光眼”之外，“嫦娥”另有一只“红外眼”——红外成像光谱仪。这台仪器置于俗称“月球车”的月面巡视器上，当巡视器从着陆器中驶出，便开启这一关键探测设备。这只“眼睛”不但能在可见光范围获得上百个光学波段的图像，还能用来探索可见光之外的“光”，捕捉月球物质资源放出的红外线光谱。因为每种物质都有其独特的“红外图谱”，红外成像光谱仪以极高的光谱分辨率“拍摄”月表物质，并能通过计算机直接将物质分门别类。

　　对于登月任务以及其后实施的返回任务，卫星发射重量越轻越好，因此“嫦娥”严格控制体重。相关项目负责人上海技物所研究员王建宇透露，此次星载的红外成像光谱仪只有5公斤多，是“嫦娥”3只眼中最轻的，而机载的同类光谱仪重量可达百公斤。今后，这种超轻型成像光谱仪器还能用于火星、小行星等更遥远的深空探测任务。