（航空宇航科学与技术专业论文）月球表面地形数据分析及仿真研究.pdf

国防科学技术人学研究乍院w t - ? 硕十学伶论文 摘要 月球表面地形数学模型的建立是月球探测器和月面巡视探测器研制的基础， 是登月飞行器和科学探测仪器设计的重要输入条件和约束条件。本文从数字高程 表面建模的研究内容入手，论述了基于模型的月球表面建模的必要性，以支持月 球软着陆探测动力学和控制仿真为目的，建立了月球表面数字高程模型，详细研 究了月球表面地形的数学模型和统计模型，完成了月表仿真系统的设计和实现。 本文主要研究内容如下： 1 对d e m 表面建模理论进行深入研究，本文简要介绍了数字高程表面建模 的基本理论，阐述了数字高程建模的步骤和方法，讨论了在建模过程中采用的网 格类型和内插方法，提出了混合d e m 建模方法在月球表面地形建模的应用模式。 2 在广泛调研的基础上，对月球表面地形地貌数据进行分析、对比，总结出 月球表面的地形地貌特征，为月球表面地形建模和仿真奠定基础。通过对月球表 面地形地貌的分析，提炼出表征月球表面地形地貌的基本元素一坡度、撞击坑和 障碍物( 包括石块、山脊等) ，以指导月球表面d e m 建模和仿真。同时通过对不 同着陆区的对比分析，给出了我国月球软着陆探测期工程巡视器动力学设计的 参考输入条件。 3 根据月球表面地形地貌特点，建立月球表面典型地形数学模型。根据对建 模理论和月球表面典型地貌特点的分析，分别建立了月球表面撞击坑和石块的数 学模型，根据对国外资料的搜集和整理建立了月球表面撞击坑和石块统计模型， 为完成月表的d e m 建模奠定了基础。 4 在理论研究的基础上，设计并实现月球表面d e m 数据的生成。完成了月 表建模仿真系统的设计和实现，与动力学仿真模型进行了联合测试。测试结果表 明，该仿真系统生成的仿真测试数据正确，能够支持月球软着陆探测动力学仿真 软件进行测试和分析，具有工程实用性。 主题词：月球表面；地形；数字高程模型；撞击坑；障碍物 第i 页 同防科学技术人学研究生院l j 学硕十学位论文 a b s t r a c t e s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi u n a rs u r f a c et e r r a i np r o v i d et h eb a s i sf o r d e v e l o p i n gl u n a rd e t e c t o r sa n dr o v e r s a n di t i sa l s oa ni m p o r t a n ti n p u t t i n ga n d r e s t r i c t i n gt e r mf o rl u n a rl a n d i n gs p a c e c r a f t sa n ds c i e n t i f i ci n s t r u m e n t s a c c o r d i n gt o t h et e r r a i nm o d e lo fl u n a rs u r f a c ed e l i v e r e do v e r s e a s ad i g i t a le l e m e n tm o d e l i sb u i l t t od e s c r i b ea n dd e n o t et h el u n a rt e r r a i nn u m e r i c a l l y , a n de m u l a t e dl a n d f o r md a t ao f s m o o t hm a r er e g i o n so nl u n a rs u r f a c ei sc r e a t e d t h ed a t aw i l lb eh e l pf o rg e n e r i c m i s s i o n r n l em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c h e sa r em a d ed e e p l yo nt h et h e o r yo fd e ms u r f a c em o d e l i n gt os e l e c t m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gm e t h o d sw h i c ha r et h eb e s tc o n f o r m a b l ef o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n 1 1 1 ep a p e r i n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo fd i g i t a le l e m e n ts u r f a c em o d e l i n g g e n e r a l l y , d e s c r i b e dt h ep r o c e s s e sa n dm e t h o d so fd e m ，a n dd i s c u s s e dt h e 鲥dt y p e s a n di n t e r p o l m i n gm e t h o d s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , w es h o u l dc h o o s et h em o d e l i n gm e t h o d sw h i c hh a v er e l a t i v e l ys i m p l ed a t ac o n s t r u c t i o n a n dh i g ho p e r a t i n ge f f i c i e n c y , a n dc o m b i n et h ed e mm e t h o db a s e do nt i n 、析ma c e r t a i ne x t e n t 1 1 1 ec o n t r a s t i v es t u d i e so fa p p l i c a t i o nw i l lb em a d ei nt h el u n a rs u r f a c e d e md e t a i l 2 a f t e rw i d e rr e s e a r c h e s ，a n a l y s i sa n dc o n t r a s to fl u n a rs u r f a c et e r r a i nd a t aa r e m a d et os u mu pt h ec h a r a c t e r i s t i co fl u n a rs u r f a c et e r r a i na st h eb a s i so fm o d e l i n ga n d s i m u l a t i n gl u n a rs u r f a c et e r r a i n a f t e ra n a l y z i n gt h el u n a rs u r f a c et e r r a i n ，w ec a n a b s t r a c tt h eb a s i ce l e m e n t st h a tr e p r e s e n tt h el u n a rs u r f a c et e r r a i n _ 一伊a d i e n t ，c r a t e r s a n db l o c k s ( s t o n e s ，r i d g e sa n ds oo n ) s oa st os u p p l yg u i d a n c ef o rl u n a rs u r f a c ed e m a n ds i m u l a t i o n 3 t 0e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft y p i c a lt e r r a i no nl u n a rs u r f a c e a c c o r d i n gt ot h et r a i t so fl u n a rt e r r a i n b a s e do na n a l y s i so fm o d e l i n gt h e o r ya n dt y p i c a l l a n a l s u r f a c et e r r a i nw ec o n s t r u c t e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fc r a t e r sa n db l o c k s ，a n d e s t a b l i s h e df o u n d a t i o nf o rf i n i s h i n gl u n a rd e m 4 t od e s i g na n dr e a l i z et h eb u i l d i n go fl u n a rs u r f a c ed e md a t ab a s e do n t h e o r e t i c a ls t u d y 砀ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fl u n a rs u r f a c em o d e l i n gs y s t e ma r e f i n i s h e da n dt e s t e dc o m b i n e dw i t hd y n a m i c ss i m u l a t i n gm o d e l s n l et e s t i n gr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ed a t ac r e a t e db yt h es i m u l a t i n gs y s t e ma r ec o r r e c t t h es y s t e mc a n s u s t a i nt h ed y n a m i c ss i m u l a t i n gs o f t w a r ef o rs o f t l a n d i n gd e t e c t i n gt ot e s ta n da n a l y z e ， a n dt h es y s t e mh a sg o o de n g i n e e r i n gp r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d s ：l u n a rs u r f a c e ，t e r r a i n ，d i g i t a le l e m e n tm o d e l ，c r a t e r s ，b l o c k s 第i i 页 国防科学技术人学研究生院l ：学硕十学付论文 图目录 图1 1l u n a1 7 l u n o k h o dl 拍摄的月球表面图片4 图2 1规则格网d e m 和不规则三角网d e m 示意图9 图2 2 根据规则数据建立的三角形网格9 图2 3不规则三角网1 0 图2 4 正方形网格1 1 图2 5 基于混合格网建模l2 图3 1 根据c l e m e n t i n e 数据得到的的月球地形图( 等高线距5 0 0 m ) 1 5 图3 2 平均的月球坡度随着坡长的变化1 7 图3 3 月面斜坡分布1 7 图3 4 月球斜坡的斜度分布模型( 不同的平均坡度值) 1 7 图3 5 光滑月海、粗糙月海和高山地形的石块分布2 l 图3 6 光滑月海、粗糙月海和高山地形的岩块覆盖面积百分比2 2 图3 7 撞击坑边沿与到坑中心两个坑半径之间的区域的指定直径的岩块的分 j f i i ：! ：! 图3 8 撞击坑边沿与到坑中心两个坑半径之间的区域的指定直径的岩块覆盖 的面积比2 3 图3 9 月球正面的撞击坑密度图2 4 图3 1 0 单位月面上环形构造的数量与直径的关系曲线一2 5 图3 1 l2 1 2 个月球表面撞击坑的直径与深度2 6 图3 1 2 普罗克鲁斯撞击坑( 碗形坑) 剖面示意图2 8 图3 1 3 具有塌陷的坑壁和中央隆起的t h e o p h i l u s 撞击坑剖面示意图2 8 图4 1普洛克鲁斯撞击坑3 2 图4 2 简化处理后的撞击坑3 3 图4 3 撞击坑的三维仿真结果3 4 图4 4 石块的三维仿真结果( 1 ) 3 5 图4 5 石块的三维仿真结果( 2 ) 3 5 图4 6 平坦月海崎岖月海高地的月坑累积分布。3 6 图4 7 平坦月海崎岖月海高地的撞击坑之间区域的石块累积数3 8 图4 8 平坦月海崎岖月海高地的撞击坑内部区域的石块累积数3 9 图5 1 系统组成图4 1 图5 2 系统程序主流程图4 2 图5 3 五个备选软着陆区在月面的分布示意图4 4 图5 4 系统参数输入界面。4 4 图5 5 撞击坑仿真模块参数设置界面4 5 图5 6 新生撞击坑的三维仿真结果4 6 图5 7 较年轻撞击坑的三维仿真结果4 6 图5 8 成熟撞击坑的三维仿真结果4 7 图5 9 地形的初始状态示意图4 8 图5 1 0 随机一点上插入随机年龄的撞击坑示意图4 9 图5 1 l 随机地形的效果图5 0 第1 v 页 国防科学技术人学研究生院i i 学硕十学位论文 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 地形建模的整体流程5 l 随机生成的月表三维仿真地形( 第一层) 5 3 随机生成的月表三维仿真地形( 第二层) 5 3 随机生成的月表三维仿真地形( 第三层) 5 4 基于月表d e m 数据的巡视器动力学仿真联合测试示意图5 7 六轮移动子系统运动关系示意图5 7 六轮原理样机运动学模型5 8 六轮月面巡视探测器沿前进方向的速度变化6 2 六轮探测器车体绕俯仰轴方向的姿态变化6 2 地面对后轮的作用力6 2 地面对中轮的作用力6 3 地面对2 个前轮的作用力6 3 各轮驱动力矩6 3 六轮月面巡视探测器沿l f 进方向的速度变化6 4 六轮探测器车体绕俯仰轴方向的姿态变化6 4 地面对后轮的作用力6 5 地面对中轮的作用力6 5 地面对2 个前轮的作用力6 5 探测器在z 方向的位移6 6 探测器在俯仰方向的姿态角变化6 6 探测器在前进方向的速度变化一6 7 第v 页 国防科学技术人学研究乍院i ：学硕十学位论文 表目录 表3 1 大尺寸斜坡和其他的月球形态数据1 8 表3 2 深海的坡度分布和月壤常数1 9 表3 3 局域海区域的坡度分布和月壤常数1 9 表3 4 光滑月海区的坡度分布和月壤常数2 0 表3 5 粗糙月海区的坡度分布和月壤常数2 0 表3 6 辐射撞击坑一览表2 7 表3 7 月球上直径大于3 0 0k m 的大型多环盆地2 9 表3 8 深海区的最少撞击坑数目3 0 表3 9 局域海区域的最少撞击坑数目3 0 表3 1 0 光滑月海区的最少撞击坑数目。3 0 表3 1 l 粗糙月海的最少撞击坑数目3 1 表4 1 各年龄撞击坑的理想形态。3 3 表5 1 五个备选软着陆区的具体位置一4 3 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： a 瘁壶盥蜱塾章宝辑瞄垦狃垃一 学位论文作者签名：坐厶扯日期：彻a 年1 月，日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：虽莲超塑晕鲞隼年堕幽亟 学位论文作者签名：上趾 日期冲1 f 月 扩日 作者指导教师签名：彩日期：触，月磁日 国防科学技术人学研究乍院1 ：学硕十学传论文 第一章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 月球是距离地球最近的天体，长期以来一直是人类空间探测的首选目标。至 今为止，以美国和前苏联为代表的国家已陆续发射了7 0 多颗月球探测器，多次开 展了以月球为中心的空间探测活动，获得了大量的月球样品和表面照片，从月球 的形成与演化、月球地质和构造、月表的地形和地貌以及月球空间环境等方面对 月球进行了系列系统和深入的研究。美国在1 9 6 9 年至1 9 7 2 年间完成了阿波罗 载人登月，6 次成功发射了a p o l l o 登月飞船1 1 1 1 2 1 ，1 9 8 9 年美国提出了“重返月球” 计划，并于1 9 9 4 年发射克莱门汀号( c l e m e n t i n e ) 月球探测器、1 9 9 8 年发射了月 球勘探者号( l u n a rp r o s p e c t o r ) 月球探测器，获取了月表大量的图像数据和月球表 面元素的丰度，测定了月球重力场和磁场。此后，欧洲、日本、印度等国都相继 提出了各自的月球探测计划，重返月球、开发月球资源和建立月球基地已成为世 界航天活动的必然趋势和热点。开展以月球探测为主的深空探测是我国科学技术 发展和航天活动的必然选择。 我国于2 0 0 4 年开始了月球探测计划，称作“嫦娥工程”，分为环月探测、月 面软着陆探测与巡视器月面巡视勘查、月面自动采样返回三个阶段【3 j l 引。 第一阶段：环月探测。研制和发射我国第一个月球探测器一嫦娥一号月球探 测卫星，对月球进行全球性、整体性和综合性探测。 第二阶段：月面软着陆器探测与巡视器月面巡视勘察。发射月球软着陆器， 试验月球软着陆和巡视器技术，就地勘察月球资源，开展月基天文观测，并为月 球基地的选择提供基础数据。 第三阶段：月面自动采样返回。发射小型采样返回舱，进行就地勘察着陆区 区域的地形地貌、地质构造、岩石类型与分布，探测月壤层和月壳的厚度与结构， 记录小天体撞击和月震，探测月球内部结构；采集关键性月球样品返回地球，进 行系统深入研究。 通过这些探测计划的实施，为月球基地的选择提供基础性数据，为载人登月 和月球基地建设积累经验和技术。2 0 0 7 年，我国成功发射“嫦娥一号卫星，实 现了绕月探测。 2 0 0 8 年4 月，国防科工委月球探测工程中心宣布探月工程二期研制正式立项， 明确了探月工程二期研制要实现的工程目标和科学目标，月球表面软着陆探测任 务已进入紧张的研制进程。 在月球软着陆探测及后续任务中，探测器和巡视器将要登陆月球表面，其工 第1 页 国防科学技术人学研究生院i ：学硕十学位论文 作状况将受到月球表面环境的影u i 向。在巡视器的行进过程中，u 丁能遇到的最人斜 坡约为2 5 0 - 3 0 0 ，月面的外表面是浮土层，其静止角接近3 5 0 ，陨坑附近的软土层很 深。不同的月球地形地貌对探测器和巡视器的运动特性将会有显著影响，如何真 实反映月球表面特性并能够实现对巡视器导航与控制系统动态、实时考核是目前 月球二期工程中最值得深入探讨和研究的课题。 月面巡视器数学仿真系统包括巡视器与月面接触的动力学分析、巡视器路径 规划仿真以及三维可视化演示。三部分需要同步进行仿真，这就需要有同一区域 的地形数据对三部分仿真进行支持，同时还要满足他们的各自的需求。 由于目前观测获得的分辨率有限，而国外公开的一些月面地形图都是针对特 定区域的，因此国外公布的地形图与我们将要探测的区域的地形有什么差别? 差 别多大? 这些问题我们无法进行详细解答。在这样的条件下，可以首先根据着陆 区大概位置以及月面的地貌分布图确定所要探测的区域的地形类型，然后根据国 外公布的标准地形模型，采用一定的数学方法，生成该区域的可能的地形图。对 这些可能的地形特征进行分析，获取地形参数，从而指导工程设计。可以说，月 球表面环境数据分析是研制月球探测器和月面巡视探测器的基础，是登月飞行器 和科学探测仪器设计的重要输入条件和约束条件。 本课题来源于中国空问技术研究院月面巡视器数学仿真系统，旨在为巡视器方 案提供分析验证仿真支撑。 1 2 月球地形研究现状 地形数据是描述天体的内部特征和演化历史时所需的基本参数，也是研究行 星热演化史的基本资料。每个行星都有其独特的地形特征，对于地形复杂的月球 表面，地形模型的构建可以有两种方法： ( 1 ) 用基于测绘方法产生月球表面地形地貌的三维模型； ( 2 ) 通过构建地形的数学模型，用计算机辅助设计软件进行建模设计。 1 - 2 - 1 基于测绘的月球地形建模研究现状 基于测绘的月球地形建模方法适合于实际探测时的地面模拟。当宇宙飞船飞 临到月球附近时，可以从多个视点观察探测车登陆点附近的地形地貌，从而获取 在不同视角下的月球感知图像，通过计算机视觉技术分析得到的图像序列，得到 三维信息，快速生成宇宙飞船飞行状态虚拟场景和基于月球真实地形地貌数据的 月球虚拟场景，具体可分为3 个阶段：( 1 ) 必须从不同视点通过摄像机来记录登 陆点月球地形地貌；( 2 ) 用计算机视觉技术从不同视点的二维图像中抽取出月球 地形地貌的三维模型；( 3 ) 动念重现月球探测车登陆点的三维地形地貌。 第2 页 国防科学技术人学研究生院。i ：学硕十学何论文 在1 9 5 9 年阿波罗( a p o l l o ) 计划之自i ，人类对月球的观测主要是通过望远镜或 裸眼观测，即使是使用当时最好的天文望远镜对月面进行摄影，最好的分辨率也 只能达到千米级1 5 j 。1 9 5 9 年，苏联探测器l u n a 3 号拍摄了第一批月球照片，并制 作了第一幅月球背面图，开始揭开月球背面的神秘面纱。在阿波罗探测之前制作 的月球地图中，数据大都由地基望远镜观测和目视观测得到。1 9 6 2 1 9 6 7 年期问， 美国制作了一系列1 ：1 0 万的月球图，共1 0 0 多幅，提供了月球正面南北纬8 0 度之 间的情况【6 j 。这些图常用作其它月球图的位置参考，由于分辨率比较低，很难提供 详细的月面情况。在这些图上根据光照的变化通过阴影变化来反映月面的地形情 况，在其中的部分图上局部地区有等高距大概为3 0 0 m 间隔的等高线。为了提供月 球地形情况，并检测早期月球探测计划数据的有效性，1 9 6 4 年美国陆军地图署 ( a r m y m a p s e r v i c e ) 用地基观测数据制作了比例尺为1 ：5 0 万和l ：2 0 万等高距1 0 0 米 的月球正面地形图( l u n a r t o p o g r a p h i c m a p ) 。地形图中包括了月球正面从赤道到两 极全部地区的等高线信息，地形信息比较完整。但用到的控制网和基准面的信息 也来源于地基观测的数据，控制网包括了1 5 0 个控制点，较以后的卫星观测得到 的控制网精度明显较差。 阿波罗计划期间是月球地形测绘非常重要的一个发展阶段。阿波罗1 5 、1 6 和 1 7 安装了技术非常成熟的测图照相系统和全景相机，测图照相系统包括一台连接 在星摄影机上的地形照相机和一个激光高度计。地形相机和全景相机得到的照片 用来建立月球大地控制网，激光高度计用于测量探测器到地面的高程值，这些信 息可以用于地形图绘制和编辑中等尺度地形 t t l 1 9 1 。许多早期的月面地形图数据 来源于阿波罗提供的照片。阿波罗的激光高度计数据常用于月球局部地区的地形 图制作和地形特征研究。利用阿波罗1 5 、1 6 和1 7 期间得到的影像数据，1 9 7 4 年 美国国防地图局( d e f e n s em a pp i n ga g e n c y ，d m a ) 匍j 作了1 ：2 5 0 ，0 0 0 的月球地形 正摄影像图，等高距为l o o m ，精度为2 5 7 0 m 。这是第一次利用阿波罗数据对月球 进行的连续性综合制图。为了对月球某些地区进行详细的科学研究，d m a 还在 1 9 7 4 1 9 7 6 年间制作了月球局部地区的大比例尺地形照相地图( l u n a rt o p p h o t o m a p ) ，数据来源于阿波罗期间全景相机的照片。这些地图包括比例尺为1 ：l 万、等高距1 0 m 以及比例尺为1 ：2 5 ，0 0 0 和1 ：5 0 ，0 0 0 ，等高距为2 0 m 的一系列地 形图。1 9 7 6 1 9 8 0 年，利用阿波罗和l u n a ro r b i t e r 的数据制作了1 ：1 0 0 0 ，0 0 0 的月 球晕渲地形图( l u n a rs h a d e d r e l i e f m a p ) 。d m a 在1 9 7 9 年又用阿波罗和l u n a ro r b i t e r 的数据制作了1 ：1 0 0 ，0 0 0 的月球图( l u n a rm a p ) t 1 0 1 、1 1 2 】。 已有的月球地形图是综合利用各种不同的数据和一种或多种方法制作的。月 球地形图制作中高程数据有多种数据来源。这些来源包括克莱门汀激光高度计、 极地立体相对、其它地区的立体相对、各种雷达装置以及阿波罗的激光高度计和 立体相对等。 第3 页 国防科学技术人学研究生院i 。学顾十学位论文 获得月面高质罱、高分辨率的影像数据几乎是各次月球探测中一个很重要的 目标，每次月球探测计划中也基本都会携带不同波段和不同镜头的相机来获取影 像数据，因此，影像数据成为月球地形图测绘中一个基本的、重要的数据源。因 为影像数据本身并没有高程信息，因此常利用空中摄影测量的方法从影像数据 中得到地形图制作中需要的信息。摄影测量法首先要求有同一轨道内对相同地区 所进行的不同角度的测量数据或不同轨道同一地区的影像形成立体相对。1 9 世 纪6 0 年代曾通过在两张照片之间间隔几年利用月球天平动的立体观测获得了月球 表面的第一张有立体感的照片，用来进行月球地形的研究。 在公开的月球地形地貌资料中，较为典型的是前苏联l u n a1 7 l t m o k h o dl 在 月球表面拍摄的部分图片如图1 1 所示，n m a1 7 于1 9 7 0 年1 1 月5r 在月海软 着陆，随后l u n o k h o d1 在穿越m a r ei m b f i u m 区域进行摄像。 幽il l u n a1 7 l u n o k h o dl 拍谁的月球表面瞠片 我国发射的嫦娥一号卫星己经成功地完成了环月探测任务，可是能够达到的 分辨率仅为1 0 0 米，无法满足后续研制任务的需求。目前由于我国没有进行过 月面着陆探测和取样返回等研究，关于月球环境的研究，只能依靠国外公开发表 或其他渠道获取的环月探测和月面着陆探测资料进行分析和研究。 相比国外，由于所获得的月球地形测绘数据较少，国内进行基于测绘的月球 地形建模工作开展的相对较晚。李巧枝2 1 曾就月球三线阵成像系统模拟段月球三 维地形提取进行过测绘模拟研究，通过“嫦娥一号”卫星发射前对月球卫星三线 第4 页 国防科学技术人学研究生院1 ：学硕 学何论文 阵数据的模拟，进行了月球表面三维地形的建模。李瑞玲【l 到根据幽外发布的克莱 门汀月球影响，利用软件进行过月球表面建模，完成了月球影响镶嵌和两极地区 d e m 制作，并得出根据现有的遥感软件难以完成两极地区月球表明模型制作的结 论。 1 2 2 基于模型的月球地形建模研究现状 考虑到国外的月球地形测绘数据并不完全公开，依赖国外的月表地形数据进 行我国月球巡视器的研究是不现实的，必须利用现有的资源来模拟月球表面的地 形特点，对探测器的性能进行评估，因此，基于数学或统计模型的月球地形建模 方法越来越引起工程技术人员的重视。 基于模型的月球地形建模非常适合于在试验阶段使用，它运用计算机辅助设 计技术，通过人工对月球探测车的运行环境进行三维建模，可以获得各种复杂的 地形地貌( 包括根据现有真实月球地形资料创建的和根据想象创建的) ，从而充分 检验月球探测车的性能，制定相应的控制策略，为探测车的实际运行提供充分的 信息。 基于模型的月球地形建模并没有统一的建模方法和理论，国内外关于此方面 的公开报道也并不多见。考虑到工程实用性，可充分借鉴地球表面地形的建模理 论和方法，即采用数字高程模型( d e m ) 来进行月球表面地形建模。在美国、德 国、英国等国家，d e m 作为数字地形模拟的重要成果已经成为国家空间数据基础 设施的基本内容之一1 4 7 j ，并被纳入数字化空间数据框架( d g d f ) 进行规模化生产。 目前在d e m 研究上，江帆【1 4 1 、付慧1 1 5 j 等人曾就地球表面地形的建模方法和理论 进行过深入的研究，对比了不同表面建模方法和模型的区别，并给出地形动态建 模的初步方法。在理论研究方面，d e m 的不确定性，d e m 的尺度效应、d e m 的 地形分析、基于d e m 的数据挖掘取得了一定的进展；在应用方面，也趋向于支持 三维漫游等方向发展1 4 9 1 。 d e m 已经在科学研究、生产、国防建设以及国家空间数据基础设施的建设和 数字战略的实施进程中发挥出越来越重要的作用，在民用和军用工程项目中可以 计算挖填石土量，为武器精确制导进行地形匹配，为军事目的显示地形景观，进 行越野通视情况分析，道路设计的路线选择、地址选择等，不同地形的比较和统 计分析，绘制坡度图、计算坡度和坡向、与专题数据进行组合分析，并且可以由 d e m 派生出平面等高线图、立体等高线图、通视图、景观图、立体透视图等各种 图形【4 l 】。 从我国的工程实际上看，考虑到月球软着陆探测着陆点还没有最终确定，着 陆区域没有图像资料，可以充分借鉴地球d e m 建模方式和方法，采用基于数学模 第5 页 同防科学技术人学研究生院i ：学硕十学位论文 型或统计模型的月球表面地形建模，j 能够为月球软着陆探测动力学仿真提供适 应范围广、动态调整度高的支持数据。 本文将通过对d e m 表面建模的方法和着陆点所处区域特点的研究，建立月球 表面d e m 模型，为月球探测工程二期提供地形数据支持。 1 3 本文的研究目的和内容 本文研究目的是通过对月球表面地形数据的分析，建立月球表面地形数学模 型并基于d e m 建模方法生成月球d e m 数据，为月球软着陆探测任务中的巡视器 动力学仿真以及路径规划提供数据支持，为巡视器导航与控制系统功能设计和验 证提供可视化仿真环境，为探测器登陆性能评估、巡视器与月表的相互作用和能 源需求评估提供服务。 本文研究的主要内容包括： 对d e m 表面建模理论进行研究，选择最适合工程应用的建模方法和仿真手 段； 在广泛调研的基础上，对月球表面地形地貌数据进行分析、对比，总结出月 球表面的地形地貌特征，为月球表面地形建模和仿真奠定基础； 根据月球表面地形地貌特点，建立月球表面典型地形数学模型； 在理论研究的基础上，设计并实现月球表面d e m 数据生成； 把生成的月表d e m 数据应用到动力学分析和三维可视化中，实现工程应用并 实现自身的验证。 1 4 本文结构安排 论文的结构安排如下： 第一章为绪论。简要介绍本论文的研究背景和意义。概要回顾国内外月球地 形建模的研究现状，说明本文的研究目的和内容，最后介绍了本论文的组织结构。 第二章介绍d e m 表面建模的基本理论，阐述数字高程建模的步骤和方法，讨 论在建模过程中采用的网格类型和内插方法。 第三章通过月球表面资料调研，对月球表面地形地貌数据进行分析和对比， 总结出月球表面的地形地貌特征，为月球表面地形建模和仿真奠定基础。 第四章在月球表面地形地貌特点分析基础上，建立月球表面地形数学模型。 第五章在理论研究的基础上，设计并实现月球表面d e m 数据的生成，生成的 d e m 数据能够应用到动力学分析以及三维可视化中，实现其工程应用。 第六章利用生成的月表d e m 数据与巡视器动力学进行联合仿真，仿真出来的 巡视器运动特性与地面试验相符，说明月球表面地形数据能够真实模拟月球表面 第6 页 国防科学技术人学研究生院i ：学硕十学位论文 地形。 第七章总结本论文的研究内容和得到的主要结论，对有待进一步研究的问题 进行了讨论并做出展望。 第7 页 国防科学技术人学研究生院i ：学硕卜学何论文 第二章数字高程建模理论与方法 地形模型是某一范围内一定比例尺的真实地形数据的抽象表达实体，反映了 地形的连续起伏变化状况。它作为空间延续信息表达的一个基本工具，是其它地 物信息的载体和几何定位的依据，地形模型的数学定义如下： 对x y 平面域d 进行划分z 之后，得到一个平面区域的集合r = ， 和 定义在r 上的一个连续函数族，：= 一( 工，y ) ( f = i ，2 ，肼) 组成的二元组( ，f ) 。 若与r j 相邻，则在公共边界处有，= ，我们称数字地形的面为每个，函数的图， 数字地形的边与节点为每个函数，对划分的边与节点的约束。由于对应n 个节 点的平面划分组成o ( n ) 的边数和区域数，因此，具有n 个节点的地形模型的空 间复杂性是1 1 的线性函数。 本章在地形模型概念基础上，系统论述了数字高程模型基本理论和表示方法， 对数字高程表面建模方法进行了对比分析。 2 1 数字高程模型理论概述 2 1 1 数字高程模型基本概念 数字地面模型【3 4 1 - 【3 6 ( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，简称d t m ) 是地形表面形态等多种 信息的一个数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述，即使用 采样数据来表达地形表面。d t m 本质上是描述地球表面形态多种信息空间分布的 有序数值阵列，它可以用二维函数系列取值的有序集合来表示： k p = a ( u p ，1 ，j ( 七= 1 ，2 ，3 ，m ；p = l ，2 ，3 ，1 )( 2 1 ) 其中，k p 为第p 个地面点上的第k 类地面特性信息的取值，“p ，v ，为第p 个 地面点的二维坐标，i n ( m 1 ) 为地面特性信息类型的数目，n 为地面点的个数。在 d t m 中，当m = l 且f l 为对地面高程的映射时，( 2 1 ) 式表达的数字地面模型即 为所谓的数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，d e m ) 。显然，d e m 是d t m 的 一个子集。实际上，d e m 是d t m 中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的 一种离散的数字表达，也是测绘学中最常用的地形表示模型。 从数学上，d e m 是表示区域d 上的三维向量有限序列，用函数的形式描述为 形= ( 置，r ，互) ，( f = l ，2 ，3 ，玎)( 2 2 ) 其中，( 五，r ) 是平面坐标，互是( 置，z ) 对应的高程。 第8 页 国防科学技术人学研究生院l ：学硕十学位论文 2 1 2 数字高程模型表示方法 d e m 是对一个地区的地表高程变化的表示，可以采用多种方式表达。地形表 面的特征决定了地形表面表达的难度，因而在影响最终d e m 表面的各种因素中扮 演了重要的角色。随着计算机应用技术和g i s 技术的发展，人们通常采用规则网 络或不规则网络两种d e m 基本建模方式来模拟和表达地面高程特征，如图2 1 所 示。 一 图2 1 规则格网d e m 和不规则三角网d e m 示意图 ( 1 ) 规则格网( r e g u l a rs q u a r eg r i d ，r s g ) 地形模型 规则格网利用一系列在( x ，y ) 方向上都是等间隔排列的地形点的高程z 来 表示地形，形成一个矩形格网的数字高程模型。r s g 以规则格网作为构成地形模 型的基本面元，最常见的规则格网是矩形格网。规则格网d e m 来源于直接规则格 网采样点或不规则离散数据点内插产生。 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ， ， ， ， 一， ， ， ， ， ， ， ， 一， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，v , b，j， ，、， x誓 xx ，、，、，、，、 ，、 _ 、 、， 、 、，、 ：j 、， 、，、 x ，、 图2 2 根据规则数据建立的三角形网格 规则网格模型是用一组大小相同的格子描述地形表面，其元素为网格节点上 的高程值，其网格的宽通常是缺省的。在j 下方形网格的情况下，以一条或两条对 角线简单地将网格分解，便形成了一系列规则的三角形。图2 2 显示了根据规则网 格生成的三种可能的三角形结构。 规则网格模型具有较小的存贮量和简单的数据结构，便于存贮和管理，该数 据格式的数据操作方便，网格细分程度随意，易于多分辨率的层次地表特征与地 第9 页 国防科7 ：技术人学研究乍院i ：。孑：硕十号：何论文 形的自适应匹配。 ( 2 ) 不规则三角网( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ，t i n ) 地形模型 不规则三角网以三角形作为构成地形模型的基本面元，是地形表示的另一种 主要形式。一般是由一组无规则的空问点与其相邻点相连所生成的几何模型的三 角面来描述的，可根据不同区域的平缓陡峭变化，形成大小各异，疏密不同的三 角网格。在所有可能的三角网中，d e l a u n a y 三角网在地形拟合方面表现得最为出 色，因此常常被用于t i n 网格的生成，也就是说，地形t i n 中的三角形具有最佳 的几何形状。对它的各种处理，包括t i n 模型的简化或多分辨率表示，输出的三 角网也必须保持这种特性。图2 3 描述了一个不规则三角网。 图2 3 不规则三角网 不规则三角网的数据结构是比较复杂的，人们通常要在时间与内存之间找平 衡，一方面，要想在三角形修改时，能快速搜索到需要的数据，就得采用复杂的 数据结构，而另一方面，复杂数据结构的修改要消耗更多的内存。 2 2 数字高程表面建模方法 d e m 是地形表面的各种地形特征的数学化表示，从数学上看，d e m 实际上 是地形的一个数学模型。d e m 表面建模，就是根据d e m 格网及其高程值，利用 函数逼近方法，重建d e m 表面。利用重建的d e m 表面，就可以内插计算任意点 的高程值。 d e m 格网通常是正方形格网或三角形格网，d e m 重建主要涉及基于给定格 网重建表面的光滑型