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)航敏感器對導(dǎo)航信標(biāo)進(jìn)行成像，通過圖像處理算法對導(dǎo)航信標(biāo)進(jìn)行識別定位，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)航誤差不會隨時間積累，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”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，篩選出對應(yīng)時間區(qū)間的小行星列表；然后根據(jù)絕對星等約束，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)，可以給出對應(yīng)時間區(qū)間的可用小行星列表；最后，優(yōu)化導(dǎo)航小行星列表，保證每個觀測窗口對導(dǎo)航小行星拍照所需要的機(jī)動時間最小。

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”“旅行者號”和近期的“深空一號”探測器中。深空一號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”，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，對深空4179號小行星（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)院國家天文臺興隆站、紫金山天文臺盱眙站和云南天文臺麗江站等3個臺站參與了4179號小行星觀測任務(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。基于序列圖像的自主導(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：主動式和被動式。