對(duì)于著陸型航天探測(cè)任務(wù)，在著陸過(guò)程中實(shí)時(shí)了解自己相對(duì)于地表的距離和方位至關(guān)重要，這關(guān)系到著陸任務(wù)是否能在對(duì)應(yīng)的高度開展預(yù)定操作，也關(guān)系到能否安全著陸。激光測(cè)距儀是著陸過(guò)程中探知自身位置的常見配置。

JAXA的小行星“龍宮”采樣返回任務(wù)隼鳥2號(hào)攜帶的四大科學(xué)儀器之一就是激光測(cè)高計(jì)LiDAR。

隼鳥2號(hào)的LiDAR。激光光束經(jīng)擴(kuò)束器放大后發(fā)出，再?zèng)_小行星表面反射回來(lái)。通過(guò)測(cè)量往返時(shí)間來(lái)計(jì)算探測(cè)器到龍宮表面的距離 | JAXA

LiDAR連續(xù)掃描小行星，記錄下探測(cè)器到每個(gè)掃描點(diǎn)的距離，這些測(cè)距信息結(jié)合光學(xué)ONC相機(jī)拍攝的龍宮表面照片，就可以幫助隼鳥2號(hào)建立更高質(zhì)量的全球三維地形模型。

隼鳥2號(hào)LiDAR結(jié)合光學(xué)相機(jī)影像獲取龍宮全球三維地形信息 | JAXA

隼鳥2號(hào)的LiDAR和小行星“龍宮”掃描點(diǎn)云 | JAXA

除了用來(lái)獲取全球地形數(shù)據(jù)之外，LiDAR測(cè)距還會(huì)用于探測(cè)器著陸過(guò)程的導(dǎo)航定位，幫助探測(cè)器在降落過(guò)程中實(shí)時(shí)掌握與地表的距離，這對(duì)探測(cè)器的安全著陸至關(guān)重要。隼鳥2號(hào)在著陸采樣過(guò)程中就是以激光測(cè)距作為主導(dǎo)航定位手段的。

實(shí)際操作中，隨著距離小行星表面越來(lái)越近，LiDAR接收激光的敏感度也會(huì)隨著距離變化。隼鳥2號(hào)針對(duì)不同高度采用了兩種激光測(cè)距手段：50米高度以上使用常規(guī)的LiDAR激光測(cè)距，50米高度以下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)接收激光的敏感度有一次自主調(diào)節(jié)，從常規(guī)LiDAR切換到近距離激光測(cè)距LRF。

2019年5月30日，隼鳥2號(hào)為第二次著陸采樣的演習(xí)PPTD-1A中丟下標(biāo)記球的過(guò)程，圖中時(shí)間是日本時(shí)間 | JAXA [1]

激光測(cè)距在隼鳥2號(hào)的兩次著陸采樣和多次下降觀測(cè)中立下了汗馬功勞，隼鳥2號(hào)的第二次著陸采樣點(diǎn)甚至只偏離了預(yù)定著陸點(diǎn)區(qū)中心60厘米?。ǖ谝淮问遣盍?米）

（左）JAXA隼鳥2號(hào)第二次著陸點(diǎn)（藍(lán)點(diǎn)）和計(jì)劃著陸區(qū)C01-Cb的中心（綠點(diǎn)）的位置；（右）隼鳥2號(hào)采樣桿接觸點(diǎn)的位置（黃圈）| JAXA [2]

LiDAR也在我國(guó)嫦娥三號(hào)、四號(hào)的落月過(guò)程中起了重要作用。兩個(gè)著陸器都攜帶了由上海技物所研制的激光測(cè)距敏感器和激光三維成像敏感器，前者用于降落期間的測(cè)距，從距月面約15公里處開始工作，后者與激光測(cè)距儀協(xié)同工作，用于懸停避障階段的月面特征識(shí)別和避障，在距月面約100米處的懸停操作階段工作。

嫦娥三號(hào)、四號(hào)激光測(cè)距工作示意圖 | 中科院 [3]

和隼鳥2號(hào)的LiDAR類似，NASA的小行星“貝努”采樣返回任務(wù)OSIRIS-REx（冥王號(hào)）攜帶的激光測(cè)高計(jì)（OLA）也是LiDAR掃描儀，它幫助冥王號(hào)在環(huán)繞小行星貝努的一年多時(shí)間里，建立了貝努全球的高清三維地形模型。

（左）冥王號(hào)的激光測(cè)高計(jì)（OLA）| 加拿大宇航局 （右）OLA獲取的小行星貝努3D地形模型，越紅越高，越藍(lán)越低 | NASA/University of Arizona/CSA/York/MDA

冥王號(hào)起初也是打算使用LiDAR作為著陸采樣階段的主導(dǎo)航定位技術(shù)來(lái)著：除了掃描式LiDAR——激光測(cè)高計(jì)（OLA），冥王號(hào)還配備了一臺(tái)3D快閃LiDAR用于降落過(guò)程中的測(cè)距和定位。

掃描式LiDAR vs 快閃式LiDAR | 參考文獻(xiàn) [4]

冥王號(hào)用于輔助降落的快閃LiDAR長(zhǎng)這樣▼

冥王號(hào)的ASC LiDAR | 參考文獻(xiàn) [5]

然而到地兒一看才發(fā)現(xiàn)，貝努表面超出預(yù)料得崎嶇多石，探測(cè)器根本沒(méi)地兒下采樣桿。為了落得更準(zhǔn)，NASA最終放棄了LiDAR，改用了另一套基于光學(xué)影像的備用導(dǎo)航定位方案——自然特征跟蹤（Natural Feature Tracking，NFT)技術(shù)。

這是后話了，我們下期再聊~

參考資料

[1] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190611_ver6a.pdf

[2] http://www.hayabusa2.jaxa.jp/enjoy/material/press/Hayabusa2_Press20190725_ver9.pdf

[3] 嫦娥三號(hào)“收官”：中科院任務(wù)執(zhí)行完美http://www.cas.cn/zt/kjzt/ce3/jzjd/201312/t20131218_4000933.shtml

[4] Dissly, R., Weimer, C., Masciarelli, J., Weinberg, J., Miller, K., & Rohrschneider, R. (2012, October). Flash lidars for planetary missions. In Workshop on Instrumentation for Planetary Missions.

[5] Bierhaus, E. B., Clark, B. C., Harris, J. W., Payne, K. S., Dubisher, R. D., Wurts, D. W., ... & May, A. J. (2018). The OSIRIS-REx spacecraft and the touch-and-go sample acquisition mechanism (TAGSAM). Space Science Reviews, 214(7), 107.