王新龍

【摘要】深空探測是我國太空戰(zhàn)略的重要組成部分，是繼衛(wèi)星應(yīng)用、載人航天之后的又一航天技術(shù)發(fā)展新領(lǐng)域。傳統(tǒng)基于地面測控的航天器導(dǎo)航方式在導(dǎo)航精度、實(shí)時(shí)性、覆蓋性、可靠性等諸多方面受到限制，難以滿足深空探測對(duì)高精度實(shí)時(shí)導(dǎo)航的需求。因此，本文詳細(xì)闡述了深空探測器新一代自主導(dǎo)航方法及其關(guān)鍵技術(shù)，展望了深空探測自主導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢。最后，分析了在深空探測不同階段中，自主導(dǎo)航的具體應(yīng)用方案?？梢灶A(yù)見，隨著深空探測活動(dòng)的不斷深入，自主導(dǎo)航技術(shù)將會(huì)得到更大的發(fā)展，并將對(duì)航天技術(shù)本身產(chǎn)生巨大的牽引和帶動(dòng)作用。

【關(guān)鍵詞】深空探測 自主導(dǎo)航 天文導(dǎo)航 脈沖星導(dǎo)航 圖像匹配

【中圖分類號(hào)】 V11 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.006

深空探測是人類航天活動(dòng)的重要領(lǐng)域，是人類了解太陽系和宇宙，進(jìn)而考察、勘探、利用甚至定居其他星球的第一步，是繼衛(wèi)星應(yīng)用、載人航天之后的又一航天技術(shù)發(fā)展新領(lǐng)域。深空探測對(duì)一個(gè)國家的科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和軍事應(yīng)用都有無比重要的作用，已作為衡量一個(gè)國家綜合國力和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要特征與標(biāo)志，引起世界各國的極大關(guān)注。美國、歐空局、俄羅斯、日本以及印度等世界主要航天大國都提出了未來的深空探測計(jì)劃，要對(duì)各大行星及其衛(wèi)星進(jìn)行載人或無人探測。

2007年10月24日，我國成功發(fā)射嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了中華民族的千年夢想。2013年12月2日，我國發(fā)射嫦娥三號(hào)探月航天器，它不僅成功地在月球表面實(shí)現(xiàn)了軟著陸，并且還在月球上釋放我國首輛“玉兔”月球車，對(duì)月面進(jìn)行巡視勘察，獲取月球物質(zhì)成分，發(fā)回?cái)?shù)據(jù)和圖像供進(jìn)一步分析研究。此次探月成功開啟我國航天的新篇章，使我國成為繼美俄之后第三個(gè)在月球?qū)嵤┨綔y器成功軟著陸的國家。2016年11月3日，隨著我國大型長征5號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射以及其他深空探測技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，我國已具備探測火星甚至更遠(yuǎn)太陽系行星的能力，正在開展以火星、金星、小行星探測等太陽系行星探測任務(wù)的實(shí)施方案論證。

目前，深空探測器的導(dǎo)航主要依賴于地球上的深空測控網(wǎng)進(jìn)行遙測遙控。由于深空探測器距地球遙遠(yuǎn)、飛行速度快、運(yùn)行時(shí)間長，這種基于地面測控的導(dǎo)航方法在導(dǎo)航精度、實(shí)時(shí)性、覆蓋性、可靠性等諸多方面受到限制，難以滿足深空探測對(duì)高精度實(shí)時(shí)導(dǎo)航的迫切需求。自主導(dǎo)航是指不依賴地面支持，而是利用航天器上自備的測量設(shè)備，實(shí)時(shí)地確定自身位置和速度或進(jìn)行相關(guān)的軌道確定和導(dǎo)航參數(shù)解算。深空探測器實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航一方面可以克服地面測控導(dǎo)航在實(shí)時(shí)性、運(yùn)行成本和資源上的限制，增強(qiáng)深空探測器的自主生存能力；另一方面可與地面測控相互補(bǔ)充，共同提高深空探測器的導(dǎo)航精度和實(shí)時(shí)性。因此，深空探測器自主導(dǎo)航技術(shù)受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，是當(dāng)今航天科技與應(yīng)用優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是深空探測器自動(dòng)飛行控制技術(shù)發(fā)展的趨勢。

目前，我國2030年前深空探測總體規(guī)劃已經(jīng)完成，第一階段的火星探測任務(wù)實(shí)施已經(jīng)啟動(dòng)?；诖耍疚膶?duì)深空探測器自主導(dǎo)航方法、自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢以及方案設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行討論與分析。

深空探測自主導(dǎo)航方法

天文導(dǎo)航。天文導(dǎo)航是以已知星歷的自然天體作為導(dǎo)航信標(biāo)，利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器對(duì)導(dǎo)航信標(biāo)進(jìn)行成像，通過圖像處理算法對(duì)導(dǎo)航信標(biāo)進(jìn)行識(shí)別定位，根據(jù)導(dǎo)航信標(biāo)的星歷信息或特征信息，結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航敏感器的內(nèi)外參數(shù)，提供高精度的慣性視線指向，從而進(jìn)行載體姿態(tài)位置確定的一種導(dǎo)航定位方法。天文導(dǎo)航無需地面無線電設(shè)備參與，自主性、安全性和隱蔽性強(qiáng)，對(duì)于飛行在深空中無法依賴地面測控的探測器而言，有著得天獨(dú)厚的應(yīng)用環(huán)境。根據(jù)觀測天體信息的不同，天文導(dǎo)航可分為基于太陽和行星天文導(dǎo)航以及基于小行星的天文導(dǎo)航兩種。

（1）基于太陽和行星天文導(dǎo)航。利用太陽和行星進(jìn)行自主導(dǎo)航是最為成熟的天文導(dǎo)航方案。將太陽和行星作為導(dǎo)航信標(biāo)，確定探測器導(dǎo)航參數(shù)。由于太陽和行星在任意時(shí)刻的位置可根據(jù)星歷獲得，通過探測器上安裝的天體敏感器觀測探測器與行星之間的夾角、行星與恒星之間的夾角和行星視線方向等，并通過濾波算法即可確定探測器的位置姿態(tài)信息。

將太陽和行星作為導(dǎo)航信標(biāo)，被動(dòng)接收這些天體自身輻射的光學(xué)信息進(jìn)行導(dǎo)航，太陽和行星在空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不受人為改變，從根本上保證了這種導(dǎo)航方式的自主性和可靠性。而且，天文導(dǎo)航可以同時(shí)提供導(dǎo)航位置和姿態(tài)信息，導(dǎo)航精度高，導(dǎo)航誤差不會(huì)隨時(shí)間積累，并且僅利用探測器上安裝的天體敏感器件（太陽敏感器、行星敏感器、星敏感器以及紅外地平儀等），無需額外增加其他硬件設(shè)備，設(shè)備簡單造價(jià)低，便于推廣應(yīng)用。

早在20世紀(jì)60年代，美國“阿波羅”登月計(jì)劃中就已經(jīng)使用了這種導(dǎo)航方法。1982年美國JPL實(shí)驗(yàn)室研制的自主導(dǎo)航系統(tǒng)用于木星的飛行任務(wù)，它是利用光學(xué)敏感器測量恒星與行星之間的夾角進(jìn)行導(dǎo)航。2004年JPL研制的“勇氣號(hào)”火星車，是利用太陽敏感器測量太陽方位角和高度角來進(jìn)行導(dǎo)航的。

（2）基于小行星的天文導(dǎo)航。小行星是太陽系中類似行星環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)的天體，由于其體積和質(zhì)量比一般的行星小很多，因此稱為小行星。利用探測器在飛行過程中遭遇到的近距離小行星進(jìn)行定位，可以大大提高導(dǎo)航的精度。

基于小行星的天文導(dǎo)航技術(shù)中，非常關(guān)鍵的一步是導(dǎo)航小行星的篩選，導(dǎo)航小行星的選擇在探測器發(fā)射前期就需要完成。首先，利用設(shè)計(jì)探測器的標(biāo)稱軌道和小行星的星歷，篩選出對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)間的小行星列表；然后根據(jù)絕對(duì)星等約束，篩選出滿足導(dǎo)航目標(biāo)亮度要求的小行星列表；之后，根據(jù)探測器相對(duì)小行星視線方向和探測器當(dāng)前的期望姿態(tài)，考慮到相機(jī)的安裝位置和可能成像到相機(jī)的恒星數(shù)，可以給出對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)間的可用小行星列表；最后，優(yōu)化導(dǎo)航小行星列表，保證每個(gè)觀測窗口對(duì)導(dǎo)航小行星拍照所需要的機(jī)動(dòng)時(shí)間最小。

基于小行星的自主導(dǎo)航已經(jīng)成功地應(yīng)用在了“水手號(hào)”“旅行者號(hào)”和近期的“深空一號(hào)”探測器中。深空一號(hào)通過掃描星體和小行星，從而確定自身所在的位置。我國發(fā)射的第二顆探月衛(wèi)星、第二顆人造太陽系小行星“嫦娥二號(hào)”，在完成了一系列工程與科學(xué)目標(biāo)，獲得了分辨率優(yōu)于10米月球表面三維影像、月球物質(zhì)成分分布圖等資料，如圖1所示。2011年4月1日，嫦娥二號(hào)拓展試驗(yàn)展開，在完成繞月探測和日地拉格朗日L2點(diǎn)科學(xué)探測任務(wù)后，對(duì)深空4179號(hào)小行星（圖塔蒂斯）進(jìn)行近距離飛越探測。為確定小行星的精確運(yùn)行軌道，2012年5月至12月，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)興隆站、紫金山天文臺(tái)盱眙站和云南天文臺(tái)麗江站等3個(gè)臺(tái)站參與了4179號(hào)小行星觀測任務(wù)，共獲得175組高質(zhì)量觀測圖像，為復(fù)核確認(rèn)和自主確定小行星的高精度軌道提供了有效數(shù)據(jù)支持。

基于序列圖像的自主導(dǎo)航?；谛蛄袌D像的自主導(dǎo)航是利用成像敏感器獲取天體表面圖像序列信息，通過對(duì)該序列圖像進(jìn)行處理分析從而獲取探測器的位置、速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息。根據(jù)所采用敏感器的不同，基于序列圖像的自主導(dǎo)航可以分為兩類：主動(dòng)式和被動(dòng)式。

基于序列圖像的主動(dòng)式自主導(dǎo)航是采用激光雷達(dá)主動(dòng)成像敏感器感知探測器著陸環(huán)境。首先，激光雷達(dá)可以直接測量著陸器相對(duì)著陸區(qū)域的斜距信息，然后將激光雷達(dá)測量的數(shù)據(jù)和著陸器當(dāng)前位姿估計(jì)結(jié)合，生成數(shù)字高程圖。最后，利用相關(guān)性方法或模式匹配方法，將獲得數(shù)字高程圖與著陸器存儲(chǔ)的參考地形庫進(jìn)行比對(duì)，從而得到著陸器的絕對(duì)位姿估計(jì)。

相較于主動(dòng)式導(dǎo)航，以光學(xué)相機(jī)為敏感器的基于序列圖像的被動(dòng)式導(dǎo)航也是深空探測著陸過程中非常有效的一種自主導(dǎo)航手段。由于探測天體的表面分布著大量形狀各異的隕石坑、巖石和紋理等天然陸標(biāo)，利用這些路標(biāo)圖像信息能夠獲取完備的探測器位置和姿態(tài)信息。

2000年美國NEAR小行星探測器首次進(jìn)行了采用陸標(biāo)光學(xué)圖像的導(dǎo)航。2004年美國的“漫游者”火星探測器通過下降圖像運(yùn)動(dòng)估計(jì)系統(tǒng)（DIMES），在著陸過程中通過跟蹤3幅序列圖像中的相關(guān)圖像塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器水平方向速度的估計(jì)。中國的“嫦娥三號(hào)”月球著陸器在接近段飛行過程中，首次利用光學(xué)相機(jī)觀測預(yù)定著陸區(qū)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸粗避障。

X射線脈沖星自主導(dǎo)航。脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，是一種具有超高密度、超高溫度、超強(qiáng)磁場、超強(qiáng)輻射和引力的天體，能夠提供高度穩(wěn)定的周期性脈沖信號(hào)，可作為天然的導(dǎo)航信標(biāo)。X射線脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，具有極其穩(wěn)定的周期性，被譽(yù)為自然界最精準(zhǔn)的天文時(shí)鐘，特別是毫秒級(jí)脈沖星的自轉(zhuǎn)周期穩(wěn)定性高達(dá)10-19-10-21，定時(shí)穩(wěn)定性為10～14/年。利用X射線脈沖星導(dǎo)航能夠提供10維導(dǎo)航信息，包括3維位置、3維速度、3維姿態(tài)和1維時(shí)間。將脈沖星作為導(dǎo)航星，在全太陽系可見，不存在任何遮擋問題，并且也沒有人為的破壞與干擾，是一種絕佳的導(dǎo)航星。因此，脈沖星能夠成為人類在宇宙中航行的“燈塔”，為近地軌道、深空和星際空間飛行的航天器提供自主導(dǎo)航信息服務(wù)。

基于脈沖星的自主導(dǎo)航原理是：探測器飛行過程中實(shí)時(shí)接收空間中不同方向的脈沖星X射線信號(hào)，并測量到達(dá)光子的時(shí)間、強(qiáng)度、流量和相對(duì)于探測器的方位，再對(duì)比星上保存的脈沖星星圖，利用導(dǎo)航算法獲取探測器的位置速度和姿態(tài)等信息。圖2為脈沖星導(dǎo)航原理示意圖。

1976年，搭載X射線探測器的Ariel-5天文觀測衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了首顆X射線脈沖星，目前發(fā)現(xiàn)和編目的脈沖星已經(jīng)有2000多顆。美國1999年搭載X射線探測器的ARGOS衛(wèi)星發(fā)射升空，用于導(dǎo)航方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2004年初，美國提出了《基于X射線源的自主導(dǎo)航定位驗(yàn)證》（XNAV）的預(yù)研計(jì)劃。2013年，歐盟啟動(dòng)了利用脈沖星信號(hào)為進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航和精確授時(shí)的項(xiàng)目研究計(jì)劃。我國在X射線探測上也進(jìn)行了多方面研究。2016年11月10日，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征十一號(hào)運(yùn)載火箭，成功發(fā)射了脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星。該星主要用于驗(yàn)證脈沖星探測器性能指標(biāo)和空間環(huán)境適應(yīng)性，積累在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為脈沖星探測體制驗(yàn)證奠定技術(shù)基礎(chǔ)，這也是世界上首顆脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星（XPNAV-1）。我國后續(xù)還計(jì)劃用5～10年的時(shí)間，建立精確的脈沖星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫。

深空探測自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)

量子慣性測量器件。在深空探測任務(wù)中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也是不可缺少的導(dǎo)航方式，尤其在變軌和著陸階段，慣性敏感器可用于測量探測器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和受外力產(chǎn)生的加速度，經(jīng)過導(dǎo)航解算之后可以提供探測器的速度、位置和姿態(tài)信息。傳統(tǒng)慣性測量器件受體積、精度等的限制，在深空空間輻照、電磁干擾條件下，精度更是難以保證。近幾年來，美英科學(xué)家提出了基于各種量子效應(yīng)和微加工技術(shù)的新型慣性導(dǎo)航技術(shù)，稱為量子導(dǎo)航。量子導(dǎo)航的關(guān)鍵器件主要包括原子陀螺儀和原子加速度計(jì)。

（1）原子陀螺儀。原子自旋陀螺是利用堿金屬原子自旋的拉莫爾進(jìn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)角速度的測量。原子陀螺儀可分為原子自旋陀螺和原子干涉陀螺兩類。原子干涉陀螺與光學(xué)中的Sagnac效應(yīng)類似，經(jīng)過激光深度冷卻以后，原子會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的相干性，物質(zhì)波屬性變得明顯，利用這種物質(zhì)波的干涉可以實(shí)現(xiàn)角速度的敏感測量。原子自旋陀螺有兩種實(shí)現(xiàn)方案：一種是利用雙核素法的核磁共振原子自旋陀螺，一種是工作在自旋交換無弛豫態(tài)下的原子自旋陀螺。

傳統(tǒng)的陀螺儀零偏漂移最好可以小于，而原子陀螺儀的理論精度可達(dá)，可以大大提高慣性測量的精度。目前國外已經(jīng)研制了樣機(jī)原子自旋陀螺，并正在發(fā)展低功耗、小型化的原子自旋陀螺，我國北京航空航天大學(xué)也在開展原子自旋陀螺的研制工作。對(duì)于原子干涉陀螺而言，體積相對(duì)較龐大，穩(wěn)定性也有待提高，因此后續(xù)的工作主要集中在小型化和提高穩(wěn)定性等方面。

（2）原子加速度計(jì)。原子加速度計(jì)、重力儀或重力梯度儀也是利用冷原子干涉效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，因此其發(fā)展通常是伴隨冷原子干涉陀螺儀的發(fā)展始末。其零偏漂移可以小于，比傳統(tǒng)的加速度計(jì)低5個(gè)量級(jí)。利用高靈敏度的加速度計(jì)感應(yīng)作用在探測器上的非重力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)的建?；蛘哐a(bǔ)償。

目前高精度的原子加速度計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已經(jīng)成熟，但是如何從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)到實(shí)用的高精度加速度計(jì)測量設(shè)備、如何減少體積功耗以及成本、如何增強(qiáng)原子加速度計(jì)的穩(wěn)定性是未來研制的重要方向。

X射線探測器。X射線脈沖星自主導(dǎo)航是一種精度極高的自主導(dǎo)航方式，而X射線探測器是脈沖星自主導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。目前，研制中的X射線探測器主要分為三種，分別為氣體探測器、閃爍探測器以及半導(dǎo)體探測器。復(fù)雜的深空探測環(huán)境以及深空探測任務(wù)要求X探測器具有高能分辨率、高時(shí)間分辨率、大面積、重量輕、體積小、無需低溫制冷等特點(diǎn)。這就需要進(jìn)一步提高探測器單位面積的探測效率，研究大面積MCP探測器拼接技術(shù)，解決碘化銫的潮解問題、縮短鍍膜的時(shí)間和裝配時(shí)間，提升探測器的信噪比等。

光學(xué)成像敏感器。深空探測自主導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)敏感部件的精度和靈敏度較高、體積小，因此對(duì)于光學(xué)敏感器的光學(xué)、結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、熱控和雜光消除等有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于這些關(guān)鍵性技術(shù)的改進(jìn)將會(huì)推動(dòng)深空光學(xué)敏感器研發(fā)工作。小型化和低成本是未來航天器發(fā)展的主要方向之一，因此微小型甚至紐扣式星敏感器必然會(huì)出現(xiàn)在未來的探測器中。利用納米光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)微小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)將是未來突破現(xiàn)有星敏感器成像機(jī)制的關(guān)鍵研究技術(shù)。此外采用新的高性能微型圖像傳感器，也是微小型星敏感器研究的重點(diǎn)研究內(nèi)容。在探測器對(duì)姿態(tài)控制精度要求不斷提高的情況下，提高星敏感器姿態(tài)測量精度是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。采用多視場的光學(xué)敏感器感器設(shè)計(jì)方法，可以在不改變探測星等的情況下減小視場，保證星敏感器的姿態(tài)測量精度；提高星敏感器光電探測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性選用高靈敏度的探測器，減小電路噪聲以及在軌高動(dòng)態(tài)情況下雜散光對(duì)星敏感器的影響。

在深空探測器對(duì)姿態(tài)控制精度要求不斷提高，對(duì)于光學(xué)敏感器的體積、光學(xué)結(jié)構(gòu)、熱控系統(tǒng)等有著嚴(yán)格的要求。為了減小敏感器的體積，實(shí)現(xiàn)敏感器的微小型，研制高性能微型圖像傳感器、利用納米光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)微小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)將是突破現(xiàn)有星敏感器成像機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)；多視場光學(xué)敏感器感器可以在不改變探測星等的情況下減小視場，保證星敏感器的姿態(tài)測量精度，也是目前研究的一項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)。為了進(jìn)一步提高星敏感器姿態(tài)測量精度和動(dòng)態(tài)性，如何減小電路噪聲、如何減小在軌高動(dòng)態(tài)情況下雜散光對(duì)敏感器的影響也是亟待解決的關(guān)鍵問題。

自主導(dǎo)航信息處理算法。導(dǎo)航信息的自主獲取與處理是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與控制的前提。為了提高自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，必須對(duì)獲取的各種傳感器信息進(jìn)行合理處理，從而提取高精度的導(dǎo)航信息。對(duì)于光學(xué)成像測量和圖像導(dǎo)航，圖像處理是是獲取高精度的導(dǎo)航天體信息的核心；而對(duì)導(dǎo)航信息的處理，多信息融合算法是提高導(dǎo)航精度的關(guān)鍵。

目前深空探測任務(wù)大多應(yīng)用光學(xué)成像敏感器進(jìn)行觀測，光學(xué)導(dǎo)航信息的獲取與處理是一項(xiàng)核心技術(shù)，其主要包括三個(gè)方面：圖像預(yù)處理技術(shù)、高精度形心提取技術(shù)和亞像素處理技術(shù)。圖像預(yù)處理的目的是去除圖像的噪聲，保證目標(biāo)之間的對(duì)比度。由于光學(xué)成像敏感器自身存在缺陷并且電子設(shè)備噪聲也會(huì)引入圖像噪聲點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)都會(huì)改變目標(biāo)天體之間的強(qiáng)度對(duì)比，影響后續(xù)的圖像處理結(jié)果；在星圖成像過程中，諸多的噪聲因素會(huì)影響質(zhì)心定位的精度，以及星圖質(zhì)心中心的提取精度，這些都會(huì)影響敏感器最終的測量精度。

深空復(fù)雜環(huán)境下，探測器缺乏地面站有利支持，探測精度、可靠性及生存能力受到嚴(yán)重制約，任何單一傳感器很難對(duì)環(huán)境有準(zhǔn)確的描述。因此，需要將信息融合處理算法引入到自主導(dǎo)航中，利用多個(gè)傳感器獲得的多種信息特性，從而獲得對(duì)環(huán)境或?qū)ο筇卣鞲?、正確的認(rèn)識(shí)。信息融合算法是一種能夠同時(shí)利用多種觀測信息，并通過信息融合將他們有效地結(jié)合起來的導(dǎo)航算法。根據(jù)對(duì)敏感器觀測數(shù)據(jù)處理方式的不同，可分為批量處理算法和遞推處理算法兩種。

批量處理算法從原理上說是根據(jù)某時(shí)刻得到的一批觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的迭代運(yùn)算得到下一時(shí)刻的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)。探測器初始軌道的確定經(jīng)常用批處理算法，深空1號(hào)利用最小二乘的批量處理算法估計(jì)了探測器的軌道參數(shù)；遞推處理算法通過實(shí)時(shí)觀測實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，并通過數(shù)據(jù)處理得出新的估計(jì)數(shù)據(jù)。該算法通常用在軌道觀測實(shí)時(shí)處理階段。

自主導(dǎo)航與控制的仿真驗(yàn)證技術(shù)。由于深空探測是一項(xiàng)歷時(shí)久、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高的一項(xiàng)大型工程，尤其是一些載人的深空探測任務(wù)。因此，在計(jì)劃實(shí)施之前，需要對(duì)所設(shè)計(jì)的導(dǎo)航控制方案的有效性、可行性和實(shí)用性進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，以提高任務(wù)成功概率，節(jié)約成本，更是對(duì)航天人員生命安全的保障。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的深空探測自主導(dǎo)航與控制方案的有效性、可行性和實(shí)用性，必須針對(duì)深空天體探測任務(wù)的特點(diǎn)，建立完善的地面仿真試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，也是深空探測自主導(dǎo)航與控制技術(shù)能夠轉(zhuǎn)入工程實(shí)施的基礎(chǔ)和前提。這就需要構(gòu)建完善的星座數(shù)據(jù)庫、模擬探測器的實(shí)際飛行運(yùn)動(dòng)環(huán)境以及構(gòu)建完善的仿真系統(tǒng)可行度評(píng)價(jià)體系。

深空探測自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢

提高導(dǎo)航軟件的集成化和模塊化。深空探測計(jì)劃中，由于每次發(fā)射任務(wù)的探測器所要完成的任務(wù)不同，一些探測器會(huì)經(jīng)歷巡航段、目標(biāo)捕獲段、飛越段、環(huán)繞段和著陸段等，而一些探測任務(wù)探測器只經(jīng)歷其中一部分階段。這些探測任務(wù)特點(diǎn)不同，但是導(dǎo)航手段卻有著相似之處。例如提取分析導(dǎo)航信息、解算導(dǎo)航參數(shù)、補(bǔ)償校正誤差以及評(píng)估導(dǎo)航性能等，所用算法和流程都是相同或相似的。因此，未來高度集成化和模塊化的導(dǎo)航軟件是發(fā)展的必然趨勢，這不僅可以縮短研發(fā)周期、減少工作量，而且可以降低成本、提高軟件的可靠性。

提高小型化傳感器的環(huán)境適應(yīng)性。隨著深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，空間任務(wù)更強(qiáng)調(diào)規(guī)?；⑿⌒突?、高精度、低成本和低功耗。因此，微型化、高精度、高環(huán)境適應(yīng)性是未來的深空導(dǎo)航敏感器的主要發(fā)展方向。此外，由于深空環(huán)境是復(fù)雜多變的，空間中的等離子體、高能粒子、空間輻射及振動(dòng)、溫度變化等空間因素?zé)o法準(zhǔn)確預(yù)測，會(huì)直接影響傳感器正常工作，因此，提升敏感器環(huán)境適應(yīng)性也是自主導(dǎo)航技術(shù)中一個(gè)重要的發(fā)展方向。

實(shí)現(xiàn)多源異質(zhì)信息融合。隨著深空探測器導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，越來越多的導(dǎo)航方式被引入，有效的傳感器也越來越多，比如星敏感器、攝像機(jī)、慣性器件、X探測器等。這些不同傳感器測量原理不同、輸出的信息頻率不同以及輸出時(shí)間不同步等。多源異質(zhì)信息融合旨在任何環(huán)境下，建立統(tǒng)一的信息融合理論，將這些不同傳感器的信息進(jìn)行融合，甚至實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用功能。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建復(fù)雜環(huán)境下的多源異質(zhì)信息融合性能評(píng)估準(zhǔn)則，進(jìn)一步優(yōu)化融合算法和系統(tǒng)導(dǎo)航方案。

實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)檢測。組合導(dǎo)航并不是簡單地將各種導(dǎo)航系統(tǒng)集合在一起，而是將所有參與測量的導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信息，通過導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，形成了一個(gè)有機(jī)的整體。通過有效的數(shù)據(jù)融合手段，校正誤差、優(yōu)化導(dǎo)航結(jié)果。深空探測過程中，一些導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)入復(fù)雜未知的環(huán)境之后，有可能會(huì)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致組合導(dǎo)航無法進(jìn)行。因此，未來的自主導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)朝著故障自動(dòng)檢測的方向發(fā)展，當(dāng)系統(tǒng)檢測到故障時(shí)，自動(dòng)隔離故障子系統(tǒng)，自主切換組合模，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自我修復(fù)，保證導(dǎo)航持續(xù)進(jìn)行，進(jìn)一步確保深空探測任務(wù)的成功實(shí)施。

深空探測自主導(dǎo)航方案

根據(jù)不同的飛行階段，深空探測器飛行可以分為發(fā)射段、分離段、巡航段、捕獲段、環(huán)繞段、著陸段、巡視段等階段，其中發(fā)射段距離地面最近，通常采用地面無線電測控技術(shù)，不需要自主導(dǎo)航。在其他不同的飛行階段，由于探測器所處的空間環(huán)境不同，因此自主導(dǎo)航所用導(dǎo)航敏感器、觀測對(duì)象、圖像處理方法以及信息融合算法也不盡相同。

分離段。為了及時(shí)修正深空探測器入軌偏差，保證后續(xù)巡航及交會(huì)等階段的任務(wù)精度，需要精確確定探測器從地球停泊軌道逃逸后的軌道姿態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在逃逸分離段，地球和月球是探測器的最佳導(dǎo)航目標(biāo)天體，因此分離段的自主導(dǎo)航系統(tǒng)主要采用基于地月及星光信息的自主導(dǎo)航。定姿方面使用星光觀測結(jié)合慣性元件完成。

巡航段。巡航階段，探測器運(yùn)行在地球與探測目標(biāo)天體之間的廣闊空間，與地球及目標(biāo)天體相距都在104km以上。由于與主要引力體相距遙遠(yuǎn)，且巡航階段運(yùn)行時(shí)間長，慣性導(dǎo)航測量僅適用于該階段姿態(tài)確定以及中途修正的機(jī)動(dòng)測量。天文導(dǎo)航和圖像視覺導(dǎo)航是滿足該階段全程應(yīng)用可行的方案，其中天文導(dǎo)航應(yīng)用范圍更廣、成本更低，可靠性更高，因此已在多個(gè)深空探測任務(wù)巡航段飛行中獲得應(yīng)用。巡航軌道附近的行星、小行星甚至彗星都可作為導(dǎo)航觀測目標(biāo)，如深空1號(hào)的自主導(dǎo)航方法。

捕獲段。在接近目標(biāo)天體的捕獲段，探測器與地球距離遠(yuǎn)、飛行速度快，持續(xù)時(shí)間比較短，依賴地面導(dǎo)航方法對(duì)深空探測器進(jìn)行導(dǎo)航在實(shí)時(shí)性、覆蓋性、可靠性等諸多方面受到限制，難以滿足探測器捕獲段對(duì)高精度實(shí)時(shí)導(dǎo)航的迫切要求。在此階段，探測器距離目標(biāo)天體較近，目標(biāo)天體觀測十分方便，因此使用天文敏感器連續(xù)攝取目標(biāo)天體及其周圍天體的圖像信息，經(jīng)圖像處理后提取天體在敏感器成像面上的質(zhì)心，結(jié)合探測器的慣性姿態(tài)和目標(biāo)天體的星歷確定探測器相對(duì)目標(biāo)天體的軌道和姿態(tài)，以修正探測器軌道偏差，確保探測器順利入軌。

環(huán)繞段。與捕獲段類似，在探測器環(huán)繞段中，地面無線電雙向時(shí)延大，地面基線短，因此依賴地面信號(hào)的導(dǎo)航方法無法用于探測器高精度導(dǎo)航。此外，環(huán)繞段還受到目標(biāo)天體背面不可見因素的影響，天文自主導(dǎo)航方法存在導(dǎo)航信息缺失的區(qū)間。因此，為了提高環(huán)繞段自主導(dǎo)航精度和穩(wěn)定性，利用探測器飛行動(dòng)力學(xué)作為導(dǎo)航系統(tǒng)遞推模型，以目標(biāo)天體的視半徑和中心指向等信息作為天文量測信息，估計(jì)軌道參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)探測器環(huán)繞段精確導(dǎo)航。

于1971年5月發(fā)射的水手9號(hào)火星探測器驗(yàn)證了捕獲段和環(huán)繞段的自主導(dǎo)航技術(shù)。星上攝像機(jī)拍攝到的恒星背景下的火衛(wèi)一和火衛(wèi)二的科學(xué)圖像被用于實(shí)時(shí)導(dǎo)航，幫助探測器順利完成了火星捕獲段和環(huán)繞段的導(dǎo)航任務(wù)。

著陸段。在深空探測器自主著陸或附著過程中，探測器需要根據(jù)目標(biāo)天體的表面情況，自主選擇安全著陸點(diǎn)，因此對(duì)探測器導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性要求很高。單純依靠一種導(dǎo)航手段難以滿足精度和實(shí)時(shí)性的要求。在此階段，對(duì)地距離、速度及三維地形圖像信息是容易獲取的導(dǎo)航量測信息。因此，著陸段以慣性測量單元為核心導(dǎo)航敏感器，配以距離/速度/圖像測量信息對(duì)慣性導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行修正，可實(shí)現(xiàn)探測器精確著陸和自主避障。

我國的“嫦娥三號(hào)”自主導(dǎo)航系統(tǒng)就配備了慣性測量單元（IMU）、激光測距敏感器、微波測距敏感器、光學(xué)成像敏感器、激光三維成像敏感器，它利用多種敏感器的信息實(shí)現(xiàn)了探測器精確軟著陸并自主避障。

巡視段。著陸之后巡視器在天體表面運(yùn)動(dòng)，開展各項(xiàng)科學(xué)探測活動(dòng)。這一階段，地面測控站的無線電信息時(shí)延大、覆蓋范圍有限，目標(biāo)天體表面環(huán)境復(fù)雜，該階段對(duì)長時(shí)間導(dǎo)航系統(tǒng)的自主性、精確性和可靠性要求高，因此，通常采用組合導(dǎo)航的模式。可利用視覺里程計(jì)或立體視覺相機(jī)，采集周圍環(huán)境圖像，通過圖像分析確定環(huán)境對(duì)象和巡視器的相對(duì)位置，并識(shí)別障礙物；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)提供位置速度和姿態(tài)，并通過天文敏感器測量一個(gè)天體的高度或頂距，可以獲得有關(guān)巡視器的地理位置。將這三者的信息進(jìn)行有效融合，就可以確定巡視器的導(dǎo)航參數(shù)。

2004年著陸火星的“勇氣號(hào)”就配備了完善的導(dǎo)航傳感器（如圖3所示），包括立體視覺相機(jī)、IMU、里程計(jì)和太陽敏感器，用于巡視器的自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃以及障礙檢測。

深空探測是人類開展航天活動(dòng)的重要內(nèi)容，也是我國太空戰(zhàn)略的重要組成部分。自主導(dǎo)航技術(shù)作為深空探測中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是保障探測器安全、提高探測器精度、確保探測任務(wù)成功實(shí)施的重要因素。隨著中國深空探測活動(dòng)的不斷開展，自主導(dǎo)航技術(shù)迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。以牛頓理論為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)導(dǎo)航觀測模型已難以滿足高精度觀測的要求，廣義相對(duì)論正在成為高精度大尺度時(shí)空計(jì)量的理論基礎(chǔ)。以基于X射線脈沖星的自主導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航以及基于原子量子效應(yīng)的高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)為代表的新型自主導(dǎo)航技術(shù)正在快速發(fā)展。因此，把握時(shí)機(jī)，加快自主導(dǎo)航的研究步伐，攻破技術(shù)難點(diǎn)，才能為我國深空探測事業(yè)做好技術(shù)儲(chǔ)備，全面提升我國太空力量，為走向太空奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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責(zé) 編∕楊昀赟