深空探測(cè)自主導(dǎo)航方案

根據(jù)不同的飛行階段，深空探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)結(jié)合慣性元件完成。

巡航段。巡航階段，探測(cè)器運(yùn)行在地球與探測(cè)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(zhǎng)，慣性導(dǎo)航測(cè)量?jī)H適用于該階段姿態(tài)確定以及中途修正的機(jī)動(dòng)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器距離目標(biāo)天體較近，目標(biāo)天體觀測(cè)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(cè)器的慣性姿態(tài)和目標(biāo)天體的星歷確定探測(cè)器相對(duì)目標(biāo)天體的軌道和姿態(tài)，以修正探測(cè)器軌道偏差，確保探測(cè)器順利入軌。

環(huán)繞段。與捕獲段類似，在探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)信息，估計(jì)軌道參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器自主著陸或附著過程中，探測(cè)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(cè)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(cè)信息。因此，著陸段以慣性測(cè)量單元為核心導(dǎo)航敏感器，配以距離/速度/圖像測(cè)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(cè)器精確著陸和自主避障。

我國(guó)的“嫦娥三號(hào)”自主導(dǎo)航系統(tǒng)就配備了慣性測(cè)量單元（IMU）、激光測(cè)距敏感器、微波測(cè)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(cè)器精確軟著陸并自主避障。