于正湜，朱圣英*，崔平遠(yuǎn)，劉延杰

（1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.深空自主導(dǎo)航與控制工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.飛行器動(dòng)力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

小天體表面移動(dòng)技術(shù)研究進(jìn)展

于正湜1,2,3，朱圣英1,2,3*，崔平遠(yuǎn)1,2,3，劉延杰1,2,3

（1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.深空自主導(dǎo)航與控制工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.飛行器動(dòng)力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

基于已實(shí)施的小天體探測(cè)任務(wù)和未來(lái)小天體表面移動(dòng)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，闡述了小天體表面移動(dòng)技術(shù)研究現(xiàn)狀。根據(jù)小天體的特殊動(dòng)力學(xué)環(huán)境和任務(wù)需求，總結(jié)了小天體表面移動(dòng)技術(shù)的主要問(wèn)題；歸納分析了包括小天體引力場(chǎng)建模與表面運(yùn)動(dòng)特性分析、小天體表面彈跳技術(shù)以及弱引力環(huán)境下的導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)在內(nèi)的小天體表面移動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了這些關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展；對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的未來(lái)研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

小天體；表面移動(dòng)；構(gòu)型設(shè)計(jì)；導(dǎo)航與制導(dǎo)

0 引 言

隨著人類(lèi)航天科技的發(fā)展，小天體探測(cè)已經(jīng)逐漸成為國(guó)際航天領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1]。小天體探測(cè)對(duì)回答太陽(yáng)系起源與演化、生命起源與進(jìn)化等問(wèn)題具有極為重要的科學(xué)價(jià)值，同時(shí)，小天體獨(dú)特的環(huán)境也為航天新技術(shù)的驗(yàn)證提供了有利條件?？茖W(xué)和技術(shù)兩方面的豐厚回報(bào)使得小天體成為現(xiàn)階段人類(lèi)開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)的重要目標(biāo)。

小天體表面探測(cè)的開(kāi)展可以從目標(biāo)小天體獲得更多精確可靠的數(shù)據(jù)，也是未來(lái)人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用小天體資源的前提條件。表面移動(dòng)技術(shù)是開(kāi)展小天體表面探測(cè)的關(guān)鍵，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的移動(dòng)技術(shù)有助于探測(cè)器在科學(xué)價(jià)值較高的復(fù)雜地形區(qū)域進(jìn)行安全移動(dòng)，從而增加探測(cè)活動(dòng)的科學(xué)回報(bào)。

相比于大的行星天體，小天體具有體積小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則等特點(diǎn)，這導(dǎo)致其引力場(chǎng)不規(guī)則且十分微弱[2]，在這種環(huán)境下，傳統(tǒng)的輪式探測(cè)器不再適用。小天體表面動(dòng)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜、先驗(yàn)信息匱乏，表面運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究、探測(cè)器構(gòu)型設(shè)計(jì)、表面彈跳技術(shù)和導(dǎo)航制導(dǎo)與控制等是實(shí)現(xiàn)小天體表面安全、精確移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。

本文首先根據(jù)小天體的特殊動(dòng)力學(xué)環(huán)境和任務(wù)需求，總結(jié)了小天體表面移動(dòng)技術(shù)的主要問(wèn)題；進(jìn)而歸納分析了表面移動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，包括小天體引力場(chǎng)建模與表面運(yùn)動(dòng)特性分析，小天體表面彈跳技術(shù)以及弱引力環(huán)境下的導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)，并介紹了這些關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展；最后對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的未來(lái)研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 小天體表面移動(dòng)的主要問(wèn)題

小天體形態(tài)各異，附近引力場(chǎng)極不規(guī)則；引力微弱，表面不能提供足夠的摩擦力，傳統(tǒng)的輪動(dòng)式探測(cè)器無(wú)法有效運(yùn)動(dòng)；表面地形復(fù)雜，缺乏大面積的平坦區(qū)域，且逃逸速度小。上述問(wèn)題給小天體表面探測(cè)任務(wù)帶來(lái)了難度和挑戰(zhàn)。

1.1 動(dòng)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜

小天體動(dòng)力學(xué)環(huán)境主要有以下幾個(gè)特征：①周?chē)?chǎng)弱且分布不規(guī)則；②對(duì)小天體的觀測(cè)不完備導(dǎo)致未知參數(shù)多；③存在太陽(yáng)光壓等擾動(dòng)力；④小天體自旋狀態(tài)比較復(fù)雜，有超快自旋、極慢自旋，甚至非主軸自旋等[3]。上述特性使小天體表面的動(dòng)力學(xué)環(huán)境異常復(fù)雜，不但給動(dòng)力學(xué)精確建模造成困難，也給探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

在弱引力環(huán)境下，探測(cè)器在小天體表面移動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)表面彈跳、滑動(dòng)和滾動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)形式，多種運(yùn)動(dòng)相互耦合作用給探測(cè)器的導(dǎo)航與控制提出了更高的要求。

1.2 表面移動(dòng)難度大

傳統(tǒng)的輪動(dòng)式探測(cè)器在弱引力環(huán)境下存在著各種各樣的問(wèn)題，例如微重力對(duì)探測(cè)器牽引性能的影響、干擾力帶來(lái)的不可控狀態(tài)以及微重力環(huán)境下探測(cè)器移動(dòng)緩慢等。因此需要研究新的適用于小天體表面的運(yùn)動(dòng)形式。移動(dòng)方案的設(shè)計(jì)需要考慮小天體表面引力加速度微弱、逃逸速度小、地形環(huán)境復(fù)雜等多重因素的影響，并緊密結(jié)合表面探測(cè)任務(wù)的需求[4]。

1.3 地形環(huán)境復(fù)雜

為了對(duì)有科學(xué)價(jià)值的區(qū)域進(jìn)行研究和取樣，需要探測(cè)器能夠在小天體表面進(jìn)行安全移動(dòng)。具有較高科學(xué)價(jià)值的目標(biāo)點(diǎn)往往位于危險(xiǎn)區(qū)域附近，如隕石坑邊緣、懸崖附近、崎嶇不平的山地等[5]，為了實(shí)現(xiàn)在具有科學(xué)價(jià)值的復(fù)雜地形區(qū)域完成探測(cè)任務(wù)、增加探測(cè)活動(dòng)的科學(xué)回報(bào)，未來(lái)的小天體探測(cè)器必須具備自主障礙檢測(cè)與規(guī)避的能力。

2 小天體表面移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)小天體表面動(dòng)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜、表面移動(dòng)難度大和地形環(huán)境復(fù)雜等難點(diǎn)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)小天體表面安全、精確移動(dòng)，需解決小天體引力場(chǎng)建模與表面運(yùn)動(dòng)特性分析、小天體表面彈跳技術(shù)、弱引力環(huán)境下的導(dǎo)航與制導(dǎo)等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 小天體引力場(chǎng)建模與表面運(yùn)動(dòng)特性分析

引力場(chǎng)的精確建模是研究和分析探測(cè)器在小天體附近運(yùn)動(dòng)行為的基礎(chǔ)。與大行星相比，小天體形態(tài)各異，形狀不規(guī)則，這使得經(jīng)典的球諧函數(shù)模型在鄰近小天體的空間范圍內(nèi)難以收斂，難以對(duì)小天體周?chē)囊?chǎng)進(jìn)行全局有效建模[6]。

在針對(duì)小天體的引力場(chǎng)建模方法的研究中，比較常見(jiàn)的是通過(guò)三維模型來(lái)逼近空間小天體形狀，并通過(guò)求體積分的方法給出引力勢(shì)函數(shù)解析表達(dá)式，對(duì)引力勢(shì)函數(shù)求關(guān)于位置的一階偏導(dǎo)數(shù)，可以得到引力加速度的解析表達(dá)式。三維模型逼近方法中，比較典型的是三軸橢球模型，這種模型采用三軸橢球體來(lái)逼近小天體形狀，以橢球積分的形式構(gòu)造引力勢(shì)函數(shù)[7]。三軸橢球模型逼近小天體形狀，存在較大誤差，因此該模型精度較低，難以對(duì)某一顆特定小天體進(jìn)行精確建模，但是它的形式簡(jiǎn)單，易于構(gòu)造，對(duì)于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，很多情況下可以直接給出解析解，且能夠反映小天體附近引力場(chǎng)分布不均勻的特點(diǎn)，因此適用于針對(duì)小天體的一些普適性、前瞻性研究。

為了能夠獲得精度更高的引力場(chǎng)模型，Werner和Scheeres提出了多面體模型[8-9]。多面體模型采用多面體來(lái)逼近空間任意形狀不規(guī)則的天體，然后通過(guò)線(xiàn)積分和面積分來(lái)構(gòu)造引力勢(shì)函數(shù)，從而得到引力場(chǎng)模型。采用多面體模型可以對(duì)某個(gè)特定小天體進(jìn)行引力場(chǎng)建模，其精度取決于多面體頂點(diǎn)和面的數(shù)量。該方法的缺點(diǎn)在于建模過(guò)程中忽略了小天體不均勻分布帶來(lái)的影響，而且計(jì)算量相對(duì)較大。多面體模型應(yīng)用前提在于對(duì)小天體形狀和密度的精確估計(jì)，Miller等采用地面天文觀測(cè)結(jié)合光譜分析的方法給出小天體多面體模型及密度的確定方法，該方法使得通過(guò)地面天文觀測(cè)構(gòu)建滿(mǎn)足精度要求的多面體引力場(chǎng)模型成為可能[10]。

Park等提出了采用一定數(shù)量的立方體或者球體單元來(lái)逼近小天體形狀，然后采用有限元的方法計(jì)算小天體附近引力場(chǎng)模型的方法。該方法可以通過(guò)改變單一元素的密度來(lái)表征小天體質(zhì)量的不均勻分布。此外，在該模型下，還可以通過(guò)小天體形狀、輻射的量測(cè)值和先驗(yàn)密度分布信息，來(lái)估計(jì)小天體的密度分布[11]。Zeng等根據(jù)外部引力平衡點(diǎn)，構(gòu)造了小天體的偶極子模型，并提出一種簡(jiǎn)單的等效方法，建立了偶極子模型與小天體引力場(chǎng)之間的關(guān)系[12]。

對(duì)于形狀接近球形的小天體，最經(jīng)典的引力場(chǎng)建模方法是球諧函數(shù)法，該方法通常采用勒讓德多項(xiàng)式逼近引力勢(shì)函數(shù)，形式簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，通過(guò)在軌飛行數(shù)據(jù)可以更進(jìn)一步確定各階次的球諧系數(shù)，便于進(jìn)行高精度的引力場(chǎng)建模。對(duì)于沒(méi)有繞飛任務(wù)的小天體來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有軌道數(shù)據(jù)，無(wú)法精確給出各階次球諧系數(shù)，此時(shí)可以將小天體近似成三軸橢球體，進(jìn)而推導(dǎo)球諧系數(shù)的解析表達(dá)式[13]。對(duì)于形狀不規(guī)則的小天體來(lái)說(shuō)，受勒讓德多項(xiàng)式收斂條件的限制，傳統(tǒng)球諧函數(shù)僅在布里淵球以外的范圍收斂，當(dāng)進(jìn)行小天體表面探測(cè)任務(wù)時(shí)，該模型失效[14]。為了克服經(jīng)典球諧函數(shù)模型在形狀不規(guī)則小天體附近的不收斂問(wèn)題，有學(xué)者提出了橢球諧函數(shù)模型。橢球諧函數(shù)模型計(jì)算復(fù)雜，橢球諧系數(shù)求取難度大，這給該模型的應(yīng)用帶來(lái)了困難。為此，Dechambre和Scheeres等從球諧系數(shù)入手，提出了兩種系數(shù)間的轉(zhuǎn)換方法，從而簡(jiǎn)化了橢球諧函數(shù)模型的計(jì)算過(guò)程[15]。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)球諧函數(shù)的引力勢(shì)函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行微調(diào)，可以改變勒讓德多項(xiàng)式的收斂條件，得到內(nèi)球諧引力場(chǎng)模型，該模型可以確保引力勢(shì)函數(shù)的表達(dá)式在與中心小天體相切的球體范圍內(nèi)收斂[16]，內(nèi)球諧系數(shù)可以通過(guò)任意標(biāo)準(zhǔn)模型，由最小二乘估計(jì)得到。Takahashi等將傳統(tǒng)球諧函數(shù)和內(nèi)球諧函數(shù)相結(jié)合，并通過(guò)求解泊松方程連接兩種模型之間的空白區(qū)域，從而得到了小天體附近全局有效的球諧函數(shù)引力場(chǎng)模型[17]。

一些學(xué)者通過(guò)將小天體形狀抽象成空間規(guī)則幾何體進(jìn)行引力場(chǎng)建模，并對(duì)其表面運(yùn)動(dòng)機(jī)理展開(kāi)了深入探討。Guibout等構(gòu)建了一個(gè)均勻旋轉(zhuǎn)的均質(zhì)三軸橢球模型，通過(guò)對(duì)拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行歸一化，找到了這一類(lèi)小天體表面的三組平衡點(diǎn)，并給出了其各自穩(wěn)定的條件；由穩(wěn)定性條件可知，三組平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性不能同時(shí)成立[18]。Bellerose等在橢球模型的基礎(chǔ)上，建立了碰撞動(dòng)力學(xué)方程，分析了小天體表面參數(shù)對(duì)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，并通過(guò)數(shù)值仿真，研究了穩(wěn)定平衡點(diǎn)和不穩(wěn)定平衡點(diǎn)周?chē)?，探測(cè)器的軌跡分布情況。數(shù)值仿真結(jié)果如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)，在擾動(dòng)因素作用下，探測(cè)器在穩(wěn)定的平衡點(diǎn)附近周期性跳躍，而以彈跳的方式遠(yuǎn)離不穩(wěn)定平衡點(diǎn)[19]。Liu等采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的均質(zhì)立方體作為小天體模型，給出了忽略摩擦情況下立方體表面的平衡點(diǎn)分布，以及有摩擦情況下質(zhì)點(diǎn)不從表面逃逸的條件[20]。

圖1 平衡點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 Trajectories near the equilibrium points

Yu等修正了多面體模型邊界處的引力勢(shì)函數(shù)奇異問(wèn)題，利用Bézier插值曲面覆蓋多面體表面的方法避免了表面運(yùn)動(dòng)軌跡跨越相鄰側(cè)面的邊界時(shí)可能產(chǎn)生的速度違約問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)粒子在小天體表面的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了歸納和分析[21]，并研究了下降軌跡與釋放高度的關(guān)系；通過(guò)蒙特卡洛仿真發(fā)現(xiàn)極點(diǎn)附近是小天體表面最穩(wěn)定的區(qū)域，選擇這里作為目標(biāo)著陸區(qū)域可以有效限制探測(cè)器的軌跡偏移[22]。多面體模型下探測(cè)器運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2 多面體模型表面運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Trajectories under polyhedron model

Yu等預(yù)測(cè)了小行星Apophis在2029年與地球交會(huì)期間的表面變化情況，提出一種兩階段法模擬小天體表面顆粒的運(yùn)動(dòng)，并仿真分析了不同自旋方向下Apophis表面多個(gè)位置處粒子的運(yùn)動(dòng)演化軌跡[23]。Jiang等研究了小天體表面顆粒物質(zhì)在光滑和非光滑條件下的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，以小行星6489 Golevka為例，分析了平坦區(qū)域、凹形區(qū)域和凸形區(qū)域下的運(yùn)動(dòng)軌跡分布[24]。

探測(cè)器的彈跳移動(dòng)軌跡會(huì)受地形參數(shù)的影響，Biele等以彗星為背景進(jìn)行了相關(guān)研究，并進(jìn)行了物理仿真試驗(yàn)[25]。此后，又在考慮了載荷不對(duì)稱(chēng)情況及表面構(gòu)成物影響的情況下，分析了探測(cè)器與小天體表面接觸動(dòng)力學(xué)[26]。

2.2 小天體表面彈跳技術(shù)

在小天體不規(guī)則弱引力環(huán)境下，傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)方式不再適用，因此已實(shí)施及規(guī)劃的小天體探測(cè)任務(wù)中，都采用了彈跳式移動(dòng)的策略。本節(jié)在小天體運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)已有的小天體探測(cè)器的表面彈跳技術(shù)進(jìn)行回顧，介紹其設(shè)計(jì)方案和實(shí)施效果。

前蘇聯(lián)1988年發(fā)射的用于探測(cè)火衛(wèi)一的“Phobos 2號(hào)”探測(cè)器攜帶了一個(gè)彈跳式探測(cè)器“PROP-F”，這是第一個(gè)包含彈跳探測(cè)器的太空任務(wù)?！癙ROP-F”的構(gòu)造如圖3（a）所示，其主體為半球形，底部安裝有支撐架，可以用來(lái)衰減著陸時(shí)的撞擊能量，并防止探測(cè)器主體在著陸時(shí)發(fā)生翻滾，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。“PROP-F”使用電推動(dòng)器推動(dòng)彈簧的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的彈跳移動(dòng)，每次彈跳過(guò)程中，伴有調(diào)向桿進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整[27]。然而，在“PROP-F”投放之前，該任務(wù)主探測(cè)器與地面失聯(lián)，最終導(dǎo)致任務(wù)失敗，但這種彈跳探測(cè)器的概念對(duì)小天體探測(cè)具有很高的參考價(jià)值[28]。

圖3 小天體表面彈跳式探測(cè)器Fig.3 Hoppers for small body surface exploration

MINERVA是日本“隼鳥(niǎo)號(hào)”（Hayabusa）主探測(cè)器搭載的表面彈跳機(jī)器人，但不參與采樣返回主任務(wù)，其構(gòu)型如圖3（b）所示。MINERVA半徑為120 mm，質(zhì)量?jī)H為591 g，載荷包括3個(gè)CCD相機(jī)、太陽(yáng)傳感器和溫度計(jì)。MINERVA的驅(qū)動(dòng)裝置為扭矩電機(jī)，可以提供小于10 cm/s的跳躍初速度。文獻(xiàn)[29]基于MINERVA探測(cè)器建立了小天體表面彈跳過(guò)程動(dòng)力學(xué)，并分析了其在不同環(huán)境參數(shù)下的彈跳性能。2005年11月，MINERVA由“隼鳥(niǎo)號(hào)”主探測(cè)器從約200 m高度釋放，卻與目標(biāo)小行星Itokawa錯(cuò)失。盡管如此，MINERVA在與主探測(cè)器分離后仍然存活了18 h，自控系統(tǒng)運(yùn)行良好，并與主探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸[30]。

表1 PROP-F技術(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of PROP-F

“隼鳥(niǎo)2”任務(wù)于2014年12月發(fā)射，對(duì)C類(lèi)小行星1999 JU3進(jìn)行采樣返回探測(cè)。探測(cè)器預(yù)計(jì)2018年6月到達(dá)1999 JU3小行星，進(jìn)行為期一年半的探測(cè)，然后于2019年12月返回，2020年12月到達(dá)地球[31]?！蚌励B(niǎo)2”任務(wù)作為“隼鳥(niǎo)”任務(wù)的延續(xù)，攜帶有3個(gè)MINERVA-2著陸機(jī)器人。此外，“隼鳥(niǎo)2”任務(wù)中，日本宇航局與德國(guó)宇航中心共同研發(fā)了具有自調(diào)向機(jī)構(gòu)的彈跳式探測(cè)器MASCOT[32-33]，其構(gòu)型如圖3（c）所示。MASCOT尺寸為275 mm×290 mm×195 mm，其移動(dòng)單元如圖4所示，包含電機(jī)、軸承、霍爾傳感器、偏心臂、偏心質(zhì)量塊等元件。MASCOT的運(yùn)動(dòng)機(jī)制是根據(jù)多體系統(tǒng)模擬開(kāi)發(fā)的，并且進(jìn)行了相關(guān)的零重力飛行測(cè)試試驗(yàn)[34]。

圖4 MASCOT移動(dòng)單元實(shí)物圖Fig.4 Mobile unit of MASCOT

一些學(xué)者也針對(duì)小天體探測(cè)器彈跳移動(dòng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了移動(dòng)方案設(shè)計(jì)。Ulamec等對(duì)小天體探測(cè)任務(wù)中彈跳式探測(cè)器的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了深入研究，并且在基于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊加速?gòu)椞淼幕A(chǔ)上提出了撐桿跳彈跳概念[35]。Pavone與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Labcratory，JPL）合作研發(fā)了用于火衛(wèi)一探測(cè)的刺猬機(jī)器人，同樣采用彈跳移動(dòng)策略，并給出了滾動(dòng)與彈跳的二維和三維動(dòng)力學(xué)模型[36]。文獻(xiàn)[37]開(kāi)發(fā)了三代彈跳式探測(cè)器，并在第三代探測(cè)器中提出將輪控系統(tǒng)部署在彈跳探測(cè)器的概念，以實(shí)現(xiàn)對(duì)起跳角度的控制。

除了彈跳探測(cè)，原位探測(cè)也是開(kāi)展小天體表面探測(cè)的方式之一。原位探測(cè)的方式在歐洲航天局（ESA）針對(duì)彗星67P/Churyumov-Gerasimenko的“羅塞塔”（Rosetta）任務(wù)中得到了應(yīng)用[38]。其表面探測(cè)器“菲萊號(hào)”（Philae）構(gòu)造如圖5（a）所示?！胺迫R號(hào)”攜帶了冷噴氣系統(tǒng)與錨定裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)在彗星表面的固定[39-40]，錨定漁叉如圖5（b）所示。通過(guò)特殊的構(gòu)型設(shè)計(jì)或攜帶固定裝置，可以在一定程度上避免小天體探測(cè)器在附著瞬間發(fā)生反彈，但這也增加了探測(cè)器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并限制了探測(cè)器的自主移動(dòng)能力。

此外，這類(lèi)裝置的穩(wěn)定性較差，一旦失效，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果?！傲_塞塔”任務(wù)中，“菲萊號(hào)”從繞飛軌道上以0.187 6 m/s的相對(duì)速度與主探測(cè)器分離，軌道高度大約為20.5 km；經(jīng)歷大約7 h的彈道式下落后，以大約1 m/s的速度抵達(dá)目標(biāo)彗星67 p表面，初始著陸點(diǎn)與目標(biāo)著陸區(qū)相差112 m。由于冷氣推進(jìn)與錨定裝置均發(fā)生故障，“菲萊號(hào)”在第一次著陸后，未能成功停留，而是經(jīng)過(guò)兩次彈跳后落到陰影區(qū)，在電池電量耗盡后無(wú)法充電而進(jìn)入休眠狀態(tài)，原定的探測(cè)計(jì)劃也未能順利完成[41]。

2.3 弱引力環(huán)境下的導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)

在小天體表面科學(xué)價(jià)值較高的區(qū)域開(kāi)展采樣、拍照、地質(zhì)分析等探測(cè)活動(dòng)，可以獲取更加豐富有效的科學(xué)信息，以提升對(duì)小天體的認(rèn)知。為此，要求探測(cè)器具備較高的自主移動(dòng)能力，以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)精確移動(dòng)。弱引力環(huán)境下的導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)探測(cè)器在小天體表面精確移動(dòng)的關(guān)鍵。

在導(dǎo)航方面，小天體表面彈跳式探測(cè)器的定位主要基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法。So等研究了基于光流的小天體表面跳躍式探測(cè)器相對(duì)定位方法[42]；此后，他又引入多相機(jī)系統(tǒng)，采用視覺(jué)測(cè)程法估計(jì)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，解決了景深精度有限和探測(cè)器姿態(tài)變化帶來(lái)的困難[43]。

在制導(dǎo)算法設(shè)計(jì)方面，Bellerose針對(duì)小天體彈跳移動(dòng)方法，提出了探測(cè)器移動(dòng)距離和所需時(shí)間的解析計(jì)算方法，并基于滑?？刂扑枷胙芯苛藛蝹€(gè)和多個(gè)探測(cè)器的制導(dǎo)算法[19]。文獻(xiàn)[44]由簡(jiǎn)化模型計(jì)算了彈跳轉(zhuǎn)移的初始速度，并基于脈沖控制設(shè)計(jì)了軌跡修正指令，增加了控制精度。Shen等運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法研究了多個(gè)彈跳式探測(cè)器在多面體模型下的小天體表面運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化問(wèn)題，并分析了速度最小增量與小天體尺寸的關(guān)系[45]。文獻(xiàn)[46]采用凸優(yōu)化方法進(jìn)行小天體表面移動(dòng)軌跡優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，并分析了轉(zhuǎn)移距離對(duì)軌跡優(yōu)化精度的影響。文獻(xiàn)[47]在文獻(xiàn)[46]的基礎(chǔ)上采用凸優(yōu)化方法設(shè)計(jì)了小天體表面移動(dòng)制導(dǎo)律，通過(guò)引入測(cè)量信息作為輸入反饋，形成閉環(huán)制導(dǎo)算法，提高了探測(cè)器的魯棒性。

圖5 “菲萊號(hào)”構(gòu)型圖Fig.5 Configuration diagram of Philae

“接觸-分離”（Touch-and-Go，TAG）是目前探測(cè)器實(shí)現(xiàn)小天體表面采樣收集的有效手段。在TAG過(guò)程中，探測(cè)器通常先在目標(biāo)小天體上方進(jìn)行懸停[48]，待確定采樣點(diǎn)以后，探測(cè)器下降到小天體表面，在地面只做幾秒鐘的停留，完成采樣任務(wù)后迅速上升離開(kāi)小天體。TAG采樣已經(jīng)成功應(yīng)用于“隼鳥(niǎo)”任務(wù)中[49]。為保證TAG過(guò)程的順利完成，在“隼鳥(niǎo)”任務(wù)中對(duì)探測(cè)器在附著瞬間的相對(duì)速度有著嚴(yán)格的約束（橫向?yàn)榱?，縱向?yàn)?0 cm/s）。該任務(wù)采用了基于光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)和激光雷達(dá)的自主導(dǎo)航方案，并在下降過(guò)程中投放人工信標(biāo)，利用導(dǎo)航相機(jī)對(duì)人工信標(biāo)進(jìn)行跟蹤以消除水平方向速度[50]。采樣點(diǎn)的選取綜合考慮了科學(xué)價(jià)值和探測(cè)器的安全性，最終采樣點(diǎn)如圖6所示。“隼鳥(niǎo)號(hào)”探測(cè)器通過(guò)兩次嘗試，完成TAG任務(wù)，圖7為探測(cè)器TAG過(guò)程所拍攝的序列圖像，在（13）所示的視角處，開(kāi)始進(jìn)行最終段的垂直下降操作。

“隼鳥(niǎo)2”[31]和OSIRIS-REx[51]任務(wù)也將采用TAG方式完成采樣返回。Boniz針對(duì)TAG任務(wù)，設(shè)計(jì)了輪刷式采樣裝置，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試[52]。

為提高表面探測(cè)任務(wù)的科學(xué)回報(bào)，需要探測(cè)器在科學(xué)價(jià)值較高的復(fù)雜地形區(qū)域完成探測(cè)任務(wù)，這就要求小天體表面探測(cè)器具備自主障礙規(guī)避能力。Tardivel等構(gòu)建了球形探測(cè)器在不規(guī)則小天體表面的受力模型，并運(yùn)用概率模型描述了小天體表面的障礙物情況[53]。Mège等針對(duì)小天體復(fù)雜地形設(shè)計(jì)了對(duì)附著環(huán)境具備魯棒性的彈跳運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，彈跳距離可以從幾米到幾十米[54]。文獻(xiàn)[55]設(shè)計(jì)了一種可以黏附在小天體表面的探測(cè)器，并且可以實(shí)現(xiàn)在巨石和凹槽間的轉(zhuǎn)移。

圖6 “隼鳥(niǎo)”任務(wù)TAG采樣點(diǎn)Fig.6 Landing site of Hayabusa

圖7 TAG序列圖像Fig.7 Image sequence data of TAG

3 結(jié) 論

小天體表面移動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)小天體表面探測(cè)的關(guān)鍵所在。為實(shí)現(xiàn)探測(cè)器在復(fù)雜地形區(qū)域的安全、精確自主移動(dòng)，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)小天體表面移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，以提高探測(cè)器的控制精度和安全性能。在動(dòng)力學(xué)環(huán)境研究方面，如何建立小天體附近全局有效的快速引力場(chǎng)估計(jì)方法，并綜合考慮地形、自旋、引力場(chǎng)等多種因素對(duì)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響是研究的重要方向；在探測(cè)器構(gòu)型設(shè)計(jì)方面，需要針對(duì)不同尺寸的小天體，設(shè)計(jì)輕型高效的移動(dòng)單元，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器在弱引力環(huán)境下的快速有效移動(dòng)；在導(dǎo)航方面，有必要基于小天體表面運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)一步研究探測(cè)器彈跳移動(dòng)的自主導(dǎo)航策略；在制導(dǎo)控制方面，結(jié)合探測(cè)器自身執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并考慮魯棒性、自適應(yīng)性和燃耗、計(jì)算速度等性能指標(biāo)的優(yōu)化是研究的熱點(diǎn)。

隨著科學(xué)目標(biāo)的提高和航天技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的小天體表面探測(cè)任務(wù)必將更為高級(jí)和復(fù)雜，充分把握小天體表面移動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，才能滿(mǎn)足未來(lái)小天體表面探測(cè)工程任務(wù)的需求。

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Research Progress of Small Body Surface Motion Technologies

YU Zhengshi1,2,3，ZHU Shengying1,2,3*，CUI Pingyuan1,2,3，LIU Yanjie1,2,3
（1.School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Key Laboratory of Autonomous Navigation and Control for Deep Space Exploration，Ministry of Industry and Information Technology，Beijing 100081，China；3.Key Laboratory of Dynamics and Control of Flight Vehicle，Ministry of Education，Beijing 100081，China）

Based on small body surface exploration missions carried out so far and future development trends of small body surface exploration technology,the necessity and key technologies of small body surface motion are elaborated.Firstly,the difficulties and challenges encountered in small body surface explorations are summarized.Then,thekey technologies related to the small body surface motion are outlined,and the research progress of these technnologies are surveyed.Finally,future research focuses and development trends of small body landing technologies are discussed.

small body；surface motion；configuration design；navigation and guidance

V448.224

A

2095-7777（2017）04-0301-09

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.001

于正湜，朱圣英，崔平遠(yuǎn)，等.小天體表面移動(dòng)技術(shù)研究進(jìn)展[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（4）：301-309.

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2017-05-14

2017-08-10

于正湜（1987- ），男，博士后，主要研究方向：深空探測(cè)自主導(dǎo)航制導(dǎo)與控制。

通信地址：北京理工大學(xué)宇航學(xué)院22信箱（100081）

電話(huà)：（010）68913550

E-mail：yuzhengshi@gmail.com

朱圣英（1982- ），男，副教授。主要研究方向：行星著陸自主導(dǎo)航與控制、軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文通訊作者。

通信地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街5號(hào)，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院（100081）

電話(huà)：（010）68918920

E-mail：zhushy@bit.edu.cn

[責(zé)任編輯：宋宏，英文審校：朱恬]