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【摘要】深空探测是我国太空战略的重要组成部分，是继卫星应用、载人航天之后的又一航天技术发展新领域。传统基于地面测控的航天器导航方式在导航精度、实时性、覆盖性、可靠性等诸多方面受到限制，难以满足深空探测对高精度实时导航的需求。因此，本文详细阐述了深空探测器新一代自主导航方法及其关键技术，展望了深空探測自主导航技术发展趋势。最后，分析了在深空探测不同阶段中，自主导航的具体应用方案。可以预见，随着深空探测活动的不断深入，自主导航技术将会得到更大的发展，并将对航天技术本身产生巨大的牵引和带动作用。
【关键词】深空探测 自主导航 天文导航 脉冲星导航 图像匹配
【中图分类号】 V11 【文献标识码】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.006
深空探测是人类航天活动的重要领域，是人类了解太阳系和宇宙，进而考察、勘探、利用甚至定居其他星球的第一步，是继卫星应用、载人航天之后的又一航天技术发展新领域。深空探测对一个国家的科学研究、经济发展和军事应用都有无比重要的作用，已作为衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要特征与标志，引起世界各国的极大关注。美国、欧空局、俄罗斯、日本以及印度等世界主要航天大国都提出了未来的深空探测计划，要对各大行星及其卫星进行载人或无人探测。
2007年10月24日，我国成功发射嫦娥一号探月卫星，实现了中华民族的千年梦想。2013年12月2日，我国发射嫦娥三号探月航天器，它不仅成功地在月球表面实现了软着陆，并且还在月球上释放我国首辆“玉兔”月球车，对月面进行巡视勘察，获取月球物质成分，发回数据和图像供进一步分析研究。此次探月成功开启我国航天的新篇章，使我国成为继美俄之后第三个在月球实施探测器成功软着陆的国家。2016年11月3日，随着我国大型长征5号运载火箭成功发射以及其他深空探测技术和经济实力的提高，我国已具备探测火星甚至更远太阳系行星的能力，正在开展以火星、金星、小行星探测等太阳系行星探测任务的实施方案论证。
目前，深空探测器的导航主要依赖于地球上的深空测控网进行遥测遥控。由于深空探测器距地球遥远、飞行速度快、运行时间长，这种基于地面测控的导航方法在导航精度、实时性、覆盖性、可靠性等诸多方面受到限制，难以满足深空探测对高精度实时导航的迫切需求。自主导航是指不依赖地面支持，而是利用航天器上自备的测量设备，实时地确定自身位置和速度或进行相关的轨道确定和导航参数解算。深空探测器实现自主导航一方面可以克服地面测控导航在实时性、运行成本和资源上的限制，增强深空探测器的自主生存能力；另一方面可与地面测控相互补充，共同提高深空探测器的导航精度和实时性。因此，深空探测器自主导航技术受到了国内外广泛的关注，是当今航天科技与应用优先发展的关键技术之一，也是深空探测器自动飞行控制技术发展的趋势。
目前，我国2030年前深空探测总体规划已经完成，第一阶段的火星探测任务实施已经启动。基于此，本文对深空探测器自主导航方法、自主导航关键技术、发展趋势以及方案设计等问题进行讨论与分析。
深空探测自主导航方法
天文导航。天文导航是以已知星历的自然天体作为导航信标，利用光学导航敏感器对导航信标进行成像，通过图像处理算法对导航信标进行识别定位，根据导航信标的星历信息或特征信息，结合光学导航敏感器的内外参数，提供高精度的惯性视线指向，从而进行载体姿态位置确定的一种导航定位方法。天文导航无需地面无线电设备参与，自主性、安全性和隐蔽性强，对于飞行在深空中无法依赖地面测控的探测器而言，有着得天独厚的应用环境。根据观测天体信息的不同，天文导航可分为基于太阳和行星天文导航以及基于小行星的天文导航两种。
（1）基于太阳和行星天文导航。利用太阳和行星进行自主导航是最为成熟的天文导航方案。将太阳和行星作为导航信标，确定探测器导航参数。由于太阳和行星在任意时刻的位置可根据星历获得，通过探测器上安装的天体敏感器观测探测器与行星之间的夹角、行星与恒星之间的夹角和行星视线方向等，并通过滤波算法即可确定探测器的位置姿态信息。
将太阳和行星作为导航信标，被动接收这些天体自身辐射的光学信息进行导航，太阳和行星在空间的运动规律不受人为改变，从根本上保证了这种导航方式的自主性和可靠性。而且，天文导航可以同时提供导航位置和姿态信息，导航精度高，导航误差不会随时间积累，并且仅利用探测器上安装的天体敏感器件（太阳敏感器、行星敏感器、星敏感器以及红外地平仪等），无需额外增加其他硬件设备，设备简单造价低，便于推广应用。
早在20世纪60年代，美国“阿波罗”登月计划中就已经使用了这种导航方法。1982年美国JPL实验室研制的自主导航系统用于木星的飞行任务，它是利用光学敏感器测量恒星与行星之间的夹角进行导航。2004年JPL研制的“勇气号”火星车，是利用太阳敏感器测量太阳方位角和高度角来进行导航的。
（2）基于小行星的天文导航。小行星是太阳系中类似行星环绕太阳运动的天体，由于其体积和质量比一般的行星小很多，因此称为小行星。利用探测器在飞行过程中遭遇到的近距离小行星进行定位，可以大大提高导航的精度。
基于小行星的天文导航技术中，非常关键的一步是导航小行星的筛选，导航小行星的选择在探测器发射前期就需要完成。首先，利用设计探测器的标称轨道和小行星的星历，筛选出对应时间区间的小行星列表；然后根据绝对星等约束，筛选出满足导航目标亮度要求的小行星列表；之后，根据探测器相对小行星视线方向和探测器当前的期望姿态，考虑到相机的安装位置和可能成像到相机的恒星数，可以给出对应时间区间的可用小行星列表；最后，优化导航小行星列表，保证每个观测窗口对导航小行星拍照所需要的机动时间最小。
基于小行星的自主导航已经成功地应用在了“水手号”“旅行者号”和近期的“深空一号”探测器中。深空一号通过扫描星体和小行星，从而确定自身所在的位置。我国发射的第二颗探月卫星、第二颗人造太阳系小行星“嫦娥二号”，在完成了一系列工程与科学目标，获得了分辨率优于10米月球表面三维影像、月球物质成分分布图等资料，如图1所示。2011年4月1日，嫦娥二号拓展试验展开，在完成绕月探测和日地拉格朗日L2点科学探测任务后，对深空4179号小行星（图塔蒂斯）进行近距离飞越探测。为确定小行星的精确运行轨道，2012年5月至12月，中国科学院国家天文台兴隆站、紫金山天文台盱眙站和云南天文台丽江站等3个台站参与了4179号小行星观测任务，共获得175组高质量观测图像，为复核确认和自主确定小行星的高精度轨道提供了有效数据支持。
（2）原子加速度计。原子加速度计、重力仪或重力梯度仪也是利用冷原子干涉效应来实现的，因此其发展通常是伴随冷原子干涉陀螺仪的发展始末。其零偏漂移可以小于，比传统的加速度计低5个量级。利用高灵敏度的加速度计感应作用在探测器上的非重力，进而实现对随机扰动的建模或者补偿。
目前高精度的原子加速度计实验样机已经成熟，但是如何从实验室样机到实用的高精度加速度计测量设备、如何减少体积功耗以及成本、如何增强原子加速度计的稳定性是未来研制的重要方向。
X射线探测器。X射线脉冲星自主导航是一种精度极高的自主导航方式，而X射线探测器是脉冲星自主导航系统的关键部分。目前，研制中的X射线探测器主要分为三种，分别为气体探测器、闪烁探测器以及半导体探测器。复杂的深空探测环境以及深空探测任务要求X探测器具有高能分辨率、高时间分辨率、大面积、重量轻、体积小、无需低温制冷等特点。这就需要进一步提高探测器单位面积的探测效率，研究大面积MCP探测器拼接技术，解决碘化铯的潮解问题、缩短镀膜的时间和装配时间，提升探测器的信噪比等。 光学成像敏感器。深空探测自主导航系统对于光学敏感部件的精度和灵敏度较高、体积小，因此对于光学敏感器的光学、结构、机构、热控和杂光消除等有着严格的标准，对于这些关键性技术的改进将会推动深空光学敏感器研发工作。小型化和低成本是未来航天器发展的主要方向之一，因此微小型甚至纽扣式星敏感器必然会出现在未来的探测器中。利用纳米光学技术设计微小型星敏感器光学系统将是未来突破现有星敏感器成像机制的关键研究技术。此外采用新的高性能微型图像传感器，也是微小型星敏感器研究的重点研究内容。在探测器对姿态控制精度要求不断提高的情况下，提高星敏感器姿态测量精度是一项关键技术。采用多视场的光学敏感器感器设计方法，可以在不改变探测星等的情况下减小视场，保证星敏感器的姿态测量精度；提高星敏感器光电探测系统的动态性选用高灵敏度的探测器，减小电路噪声以及在轨高动态情况下杂散光对星敏感器的影响。
在深空探测器对姿态控制精度要求不断提高，对于光学敏感器的体积、光学结构、热控系统等有着严格的要求。为了减小敏感器的体积，实现敏感器的微小型，研制高性能微型图像传感器、利用纳米光学技术设计微小型星敏感器光学系统将是突破现有星敏感器成像机制的关键技术；多视场光学敏感器感器可以在不改变探测星等的情况下减小视场，保证星敏感器的姿态测量精度，也是目前研究的一项重点技术。为了进一步提高星敏感器姿态测量精度和动态性，如何减小电路噪声、如何减小在轨高动态情况下杂散光对敏感器的影响也是亟待解决的关键问题。
自主导航信息处理算法。导航信息的自主获取与处理是实现自主导航与控制的前提。为了提高自主导航系统的性能，必须对获取的各种传感器信息进行合理处理，从而提取高精度的导航信息。对于光学成像测量和图像导航，图像处理是是获取高精度的导航天体信息的核心；而对导航信息的处理，多信息融合算法是提高导航精度的关键。
目前深空探测任务大多应用光学成像敏感器进行观测，光学导航信息的获取与处理是一项核心技术，其主要包括三个方面：图像预处理技术、高精度形心提取技术和亚像素处理技术。图像预处理的目的是去除图像的噪声，保证目标之间的对比度。由于光学成像敏感器自身存在缺陷并且电子设备噪声也会引入图像噪声点，这些噪声点都会改变目标天体之间的强度对比，影响后续的图像处理结果；在星图成像过程中，诸多的噪声因素会影响质心定位的精度，以及星图质心中心的提取精度，这些都会影响敏感器最终的测量精度。
深空复杂环境下，探测器缺乏地面站有利支持，探测精度、可靠性及生存能力受到严重制约，任何单一传感器很难对环境有准确的描述。因此，需要将信息融合处理算法引入到自主导航中，利用多个传感器获得的多种信息特性，从而获得对环境或对象特征更全面、正确的认识。信息融合算法是一种能够同时利用多种观测信息，并通过信息融合将他们有效地结合起来的导航算法。根据对敏感器观测数据处理方式的不同，可分为批量处理算法和递推处理算法两种。
批量处理算法从原理上说是根据某时刻得到的一批观测数据进行反复的迭代运算得到下一时刻的最优状态估计。探测器初始轨道的确定经常用批处理算法，深空1号利用最小二乘的批量处理算法估计了探测器的轨道参数；递推处理算法通过实时观测实现数据实时更新，并通过数据处理得出新的估计数据。该算法通常用在轨道观测实时处理阶段。
自主导航与控制的仿真验证技术。由于深空探测是一项历时久、风险大、成本高的一项大型工程，尤其是一些载人的深空探测任务。因此，在计划实施之前，需要对所设计的导航控制方案的有效性、可行性和实用性进行反复验证，以提高任务成功概率，节约成本，更是对航天人员生命安全的保障。
为了验证所设计的深空探测自主导航与控制方案的有效性、可行性和实用性，必须针对深空天体探测任务的特点，建立完善的地面仿真试验验证系统，也是深空探测自主导航与控制技术能够转入工程实施的基础和前提。这就需要构建完善的星座数据库、模拟探测器的实际飞行运动环境以及构建完善的仿真系统可行度评价体系。
深空探测自主导航技术的发展趋势
提高导航软件的集成化和模块化。深空探测计划中，由于每次发射任务的探测器所要完成的任务不同，一些探测器会经历巡航段、目标捕获段、飞越段、环绕段和着陆段等，而一些探测任务探测器只经历其中一部分階段。这些探测任务特点不同，但是导航手段却有着相似之处。例如提取分析导航信息、解算导航参数、补偿校正误差以及评估导航性能等，所用算法和流程都是相同或相似的。因此，未来高度集成化和模块化的导航软件是发展的必然趋势，这不仅可以缩短研发周期、减少工作量，而且可以降低成本、提高软件的可靠性。
提高小型化传感器的环境适应性。随着深空探测技术的不断发展，空间任务更强调规模化、小型化、高精度、低成本和低功耗。因此，微型化、高精度、高环境适应性是未来的深空导航敏感器的主要发展方向。此外，由于深空环境是复杂多变的，空间中的等离子体、高能粒子、空间辐射及振动、温度变化等空间因素无法准确预测，会直接影响传感器正常工作，因此，提升敏感器环境适应性也是自主导航技术中一个重要的发展方向。
实现多源异质信息融合。随着深空探测器导航技术的发展，越来越多的导航方式被引入，有效的传感器也越来越多，比如星敏感器、摄像机、惯性器件、X探测器等。这些不同传感器测量原理不同、输出的信息频率不同以及输出时间不同步等。多源异质信息融合旨在任何环境下，建立统一的信息融合理论，将这些不同传感器的信息进行融合，甚至实现传感器的即插即用功能。在此基础上，构建复杂环境下的多源异质信息融合性能评估准则，进一步优化融合算法和系统导航方案。
实现故障自动检测。组合导航并不是简单地将各种导航系统集合在一起，而是将所有参与测量的导航系统的输出信息，通过导航计算机，形成了一个有机的整体。通过有效的数据融合手段，校正误差、优化导航结果。深空探测过程中，一些导航设备进入复杂未知的环境之后，有可能会出现故障，从而导致组合导航无法进行。因此，未来的自主导航系统会朝着故障自动检测的方向发展，当系统检测到故障时，自动隔离故障子系统，自主切换组合模，实现系统自我修复，保证导航持续进行，进一步确保深空探测任务的成功实施。 深空探测自主导航方案
根据不同的飞行阶段，深空探测器飞行可以分为发射段、分离段、巡航段、捕获段、环绕段、着陆段、巡视段等阶段，其中发射段距离地面最近，通常采用地面无线电测控技术，不需要自主导航。在其他不同的飞行阶段，由于探测器所处的空间环境不同，因此自主导航所用导航敏感器、观测对象、图像处理方法以及信息融合算法也不尽相同。
分离段。为了及时修正深空探测器入轨偏差，保证后续巡航及交会等阶段的任务精度，需要精确确定探测器从地球停泊轨道逃逸后的轨道姿态运动状态。在逃逸分离段，地球和月球是探测器的最佳导航目标天体，因此分离段的自主导航系统主要采用基于地月及星光信息的自主导航。定姿方面使用星光观测结合惯性元件完成。
巡航段。巡航阶段，探测器运行在地球与探测目标天体之间的广阔空间，与地球及目标天体相距都在104km以上。由于与主要引力体相距遥远，且巡航阶段运行时间长，惯性导航测量仅适用于该阶段姿态确定以及中途修正的机动测量。天文导航和图像视觉导航是满足该阶段全程应用可行的方案，其中天文导航应用范围更广、成本更低，可靠性更高，因此已在多个深空探测任务巡航段飞行中获得应用。巡航轨道附近的行星、小行星甚至彗星都可作为导航观测目标，如深空1号的自主导航方法。
捕获段。在接近目标天体的捕获段，探测器与地球距离远、飞行速度快，持续时间比较短，依赖地面导航方法对深空探测器进行导航在实时性、覆盖性、可靠性等诸多方面受到限制，难以满足探测器捕获段对高精度实时导航的迫切要求。在此阶段，探测器距离目标天体较近，目标天体观测十分方便，因此使用天文敏感器连续摄取目标天体及其周围天体的图像信息，经图像处理后提取天体在敏感器成像面上的质心，结合探测器的惯性姿态和目标天体的星历确定探测器相对目标天体的轨道和姿态，以修正探测器轨道偏差，确保探测器顺利入轨。
环绕段。与捕获段类似，在探测器环绕段中，地面无线电双向时延大，地面基线短，因此依赖地面信号的导航方法无法用于探测器高精度导航。此外，环绕段还受到目标天体背面不可见因素的影响，天文自主导航方法存在导航信息缺失的区间。因此，为了提高环绕段自主导航精度和稳定性，利用探测器飞行动力学作为导航系统递推模型，以目标天体的视半径和中心指向等信息作为天文量测信息，估计轨道参数，从而实现探测器环绕段精确导航。
于1971年5月发射的水手9号火星探测器验证了捕获段和环绕段的自主导航技术。星上摄像机拍摄到的恒星背景下的火卫一和火卫二的科学图像被用于实时导航，帮助探测器顺利完成了火星捕获段和环绕段的导航任务。
着陆段。在深空探测器自主着陆或附着过程中，探测器需要根据目标天体的表面情况，自主选择安全着陆点，因此对探测器导航系统的精度和实时性要求很高。单纯依靠一种导航手段难以满足精度和实时性的要求。在此阶段，对地距离、速度及三维地形图像信息是容易获取的导航量测信息。因此，着陆段以惯性测量单元为核心导航敏感器，配以距离/速度/图像测量信息对惯性导航结果进行修正，可实现探测器精确着陆和自主避障。
我国的“嫦娥三号”自主导航系统就配备了惯性测量单元（IMU）、激光测距敏感器、微波测距敏感器、光学成像敏感器、激光三维成像敏感器，它利用多种敏感器的信息实现了探测器精确软着陆并自主避障。
巡视段。着陆之后巡视器在天体表面运动，开展各项科学探测活动。这一阶段，地面测控站的无线电信息时延大、覆盖范围有限，目标天体表面环境复杂，该阶段对长时间导航系统的自主性、精确性和可靠性要求高，因此，通常采用组合导航的模式。可利用视觉里程计或立体视觉相机，采集周围环境图像，通过图像分析确定环境对象和巡视器的相对位置，并识别障碍物；惯性导航系统同时提供位置速度和姿态，并通过天文敏感器测量一个天体的高度或顶距，可以获得有关巡视器的地理位置。将这三者的信息进行有效融合，就可以确定巡视器的导航参数。
2004年着陆火星的“勇气号”就配备了完善的导航传感器（如图3所示），包括立体视觉相机、IMU、里程计和太阳敏感器，用于巡视器的自主导航、路径规划以及障碍检测。
深空探测是人类开展航天活动的重要内容，也是我国太空战略的重要组成部分。自主导航技术作为深空探测中一项关键技術，是保障探测器安全、提高探测器精度、确保探测任务成功实施的重要因素。随着中国深空探测活动的不断开展，自主导航技术迎来了新的机遇和挑战。以牛顿理论为基础的传统导航观测模型已难以满足高精度观测的要求，广义相对论正在成为高精度大尺度时空计量的理论基础。以基于X射线脉冲星的自主导航、视觉导航以及基于原子量子效应的高精度惯性导航技术为代表的新型自主导航技术正在快速发展。因此，把握时机，加快自主导航的研究步伐，攻破技术难点，才能为我国深空探测事业做好技术储备，全面提升我国太空力量，为走向太空奠定坚实的基础。
参考文献
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王密、郑兴辉、程宇峰、陈晓，2016，《火星探测巡航段与捕获段光学自主导航方案与关键技术》，《武汉大学学报》。
责 编∕杨昀赟
【关键词】深空探测 自主导航 天文导航 脉冲星导航 图像匹配
【中图分类号】 V11 【文献标识码】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.006
深空探测是人类航天活动的重要领域，是人类了解太阳系和宇宙，进而考察、勘探、利用甚至定居其他星球的第一步，是继卫星应用、载人航天之后的又一航天技术发展新领域。深空探测对一个国家的科学研究、经济发展和军事应用都有无比重要的作用，已作为衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要特征与标志，引起世界各国的极大关注。美国、欧空局、俄罗斯、日本以及印度等世界主要航天大国都提出了未来的深空探测计划，要对各大行星及其卫星进行载人或无人探测。
2007年10月24日，我国成功发射嫦娥一号探月卫星，实现了中华民族的千年梦想。2013年12月2日，我国发射嫦娥三号探月航天器，它不仅成功地在月球表面实现了软着陆，并且还在月球上释放我国首辆“玉兔”月球车，对月面进行巡视勘察，获取月球物质成分，发回数据和图像供进一步分析研究。此次探月成功开启我国航天的新篇章，使我国成为继美俄之后第三个在月球实施探测器成功软着陆的国家。2016年11月3日，随着我国大型长征5号运载火箭成功发射以及其他深空探测技术和经济实力的提高，我国已具备探测火星甚至更远太阳系行星的能力，正在开展以火星、金星、小行星探测等太阳系行星探测任务的实施方案论证。
目前，深空探测器的导航主要依赖于地球上的深空测控网进行遥测遥控。由于深空探测器距地球遥远、飞行速度快、运行时间长，这种基于地面测控的导航方法在导航精度、实时性、覆盖性、可靠性等诸多方面受到限制，难以满足深空探测对高精度实时导航的迫切需求。自主导航是指不依赖地面支持，而是利用航天器上自备的测量设备，实时地确定自身位置和速度或进行相关的轨道确定和导航参数解算。深空探测器实现自主导航一方面可以克服地面测控导航在实时性、运行成本和资源上的限制，增强深空探测器的自主生存能力；另一方面可与地面测控相互补充，共同提高深空探测器的导航精度和实时性。因此，深空探测器自主导航技术受到了国内外广泛的关注，是当今航天科技与应用优先发展的关键技术之一，也是深空探测器自动飞行控制技术发展的趋势。
目前，我国2030年前深空探测总体规划已经完成，第一阶段的火星探测任务实施已经启动。基于此，本文对深空探测器自主导航方法、自主导航关键技术、发展趋势以及方案设计等问题进行讨论与分析。
深空探测自主导航方法
天文导航。天文导航是以已知星历的自然天体作为导航信标，利用光学导航敏感器对导航信标进行成像，通过图像处理算法对导航信标进行识别定位，根据导航信标的星历信息或特征信息，结合光学导航敏感器的内外参数，提供高精度的惯性视线指向，从而进行载体姿态位置确定的一种导航定位方法。天文导航无需地面无线电设备参与，自主性、安全性和隐蔽性强，对于飞行在深空中无法依赖地面测控的探测器而言，有着得天独厚的应用环境。根据观测天体信息的不同，天文导航可分为基于太阳和行星天文导航以及基于小行星的天文导航两种。
（1）基于太阳和行星天文导航。利用太阳和行星进行自主导航是最为成熟的天文导航方案。将太阳和行星作为导航信标，确定探测器导航参数。由于太阳和行星在任意时刻的位置可根据星历获得，通过探测器上安装的天体敏感器观测探测器与行星之间的夹角、行星与恒星之间的夹角和行星视线方向等，并通过滤波算法即可确定探测器的位置姿态信息。
将太阳和行星作为导航信标，被动接收这些天体自身辐射的光学信息进行导航，太阳和行星在空间的运动规律不受人为改变，从根本上保证了这种导航方式的自主性和可靠性。而且，天文导航可以同时提供导航位置和姿态信息，导航精度高，导航误差不会随时间积累，并且仅利用探测器上安装的天体敏感器件（太阳敏感器、行星敏感器、星敏感器以及红外地平仪等），无需额外增加其他硬件设备，设备简单造价低，便于推广应用。
早在20世纪60年代，美国“阿波罗”登月计划中就已经使用了这种导航方法。1982年美国JPL实验室研制的自主导航系统用于木星的飞行任务，它是利用光学敏感器测量恒星与行星之间的夹角进行导航。2004年JPL研制的“勇气号”火星车，是利用太阳敏感器测量太阳方位角和高度角来进行导航的。
（2）基于小行星的天文导航。小行星是太阳系中类似行星环绕太阳运动的天体，由于其体积和质量比一般的行星小很多，因此称为小行星。利用探测器在飞行过程中遭遇到的近距离小行星进行定位，可以大大提高导航的精度。
基于小行星的天文导航技术中，非常关键的一步是导航小行星的筛选，导航小行星的选择在探测器发射前期就需要完成。首先，利用设计探测器的标称轨道和小行星的星历，筛选出对应时间区间的小行星列表；然后根据绝对星等约束，筛选出满足导航目标亮度要求的小行星列表；之后，根据探测器相对小行星视线方向和探测器当前的期望姿态，考虑到相机的安装位置和可能成像到相机的恒星数，可以给出对应时间区间的可用小行星列表；最后，优化导航小行星列表，保证每个观测窗口对导航小行星拍照所需要的机动时间最小。
基于小行星的自主导航已经成功地应用在了“水手号”“旅行者号”和近期的“深空一号”探测器中。深空一号通过扫描星体和小行星，从而确定自身所在的位置。我国发射的第二颗探月卫星、第二颗人造太阳系小行星“嫦娥二号”，在完成了一系列工程与科学目标，获得了分辨率优于10米月球表面三维影像、月球物质成分分布图等资料，如图1所示。2011年4月1日，嫦娥二号拓展试验展开，在完成绕月探测和日地拉格朗日L2点科学探测任务后，对深空4179号小行星（图塔蒂斯）进行近距离飞越探测。为确定小行星的精确运行轨道，2012年5月至12月，中国科学院国家天文台兴隆站、紫金山天文台盱眙站和云南天文台丽江站等3个台站参与了4179号小行星观测任务，共获得175组高质量观测图像，为复核确认和自主确定小行星的高精度轨道提供了有效数据支持。
（2）原子加速度计。原子加速度计、重力仪或重力梯度仪也是利用冷原子干涉效应来实现的，因此其发展通常是伴随冷原子干涉陀螺仪的发展始末。其零偏漂移可以小于，比传统的加速度计低5个量级。利用高灵敏度的加速度计感应作用在探测器上的非重力，进而实现对随机扰动的建模或者补偿。
目前高精度的原子加速度计实验样机已经成熟，但是如何从实验室样机到实用的高精度加速度计测量设备、如何减少体积功耗以及成本、如何增强原子加速度计的稳定性是未来研制的重要方向。
X射线探测器。X射线脉冲星自主导航是一种精度极高的自主导航方式，而X射线探测器是脉冲星自主导航系统的关键部分。目前，研制中的X射线探测器主要分为三种，分别为气体探测器、闪烁探测器以及半导体探测器。复杂的深空探测环境以及深空探测任务要求X探测器具有高能分辨率、高时间分辨率、大面积、重量轻、体积小、无需低温制冷等特点。这就需要进一步提高探测器单位面积的探测效率，研究大面积MCP探测器拼接技术，解决碘化铯的潮解问题、缩短镀膜的时间和装配时间，提升探测器的信噪比等。 光学成像敏感器。深空探测自主导航系统对于光学敏感部件的精度和灵敏度较高、体积小，因此对于光学敏感器的光学、结构、机构、热控和杂光消除等有着严格的标准，对于这些关键性技术的改进将会推动深空光学敏感器研发工作。小型化和低成本是未来航天器发展的主要方向之一，因此微小型甚至纽扣式星敏感器必然会出现在未来的探测器中。利用纳米光学技术设计微小型星敏感器光学系统将是未来突破现有星敏感器成像机制的关键研究技术。此外采用新的高性能微型图像传感器，也是微小型星敏感器研究的重点研究内容。在探测器对姿态控制精度要求不断提高的情况下，提高星敏感器姿态测量精度是一项关键技术。采用多视场的光学敏感器感器设计方法，可以在不改变探测星等的情况下减小视场，保证星敏感器的姿态测量精度；提高星敏感器光电探测系统的动态性选用高灵敏度的探测器，减小电路噪声以及在轨高动态情况下杂散光对星敏感器的影响。
在深空探测器对姿态控制精度要求不断提高，对于光学敏感器的体积、光学结构、热控系统等有着严格的要求。为了减小敏感器的体积，实现敏感器的微小型，研制高性能微型图像传感器、利用纳米光学技术设计微小型星敏感器光学系统将是突破现有星敏感器成像机制的关键技术；多视场光学敏感器感器可以在不改变探测星等的情况下减小视场，保证星敏感器的姿态测量精度，也是目前研究的一项重点技术。为了进一步提高星敏感器姿态测量精度和动态性，如何减小电路噪声、如何减小在轨高动态情况下杂散光对敏感器的影响也是亟待解决的关键问题。
自主导航信息处理算法。导航信息的自主获取与处理是实现自主导航与控制的前提。为了提高自主导航系统的性能，必须对获取的各种传感器信息进行合理处理，从而提取高精度的导航信息。对于光学成像测量和图像导航，图像处理是是获取高精度的导航天体信息的核心；而对导航信息的处理，多信息融合算法是提高导航精度的关键。
目前深空探测任务大多应用光学成像敏感器进行观测，光学导航信息的获取与处理是一项核心技术，其主要包括三个方面：图像预处理技术、高精度形心提取技术和亚像素处理技术。图像预处理的目的是去除图像的噪声，保证目标之间的对比度。由于光学成像敏感器自身存在缺陷并且电子设备噪声也会引入图像噪声点，这些噪声点都会改变目标天体之间的强度对比，影响后续的图像处理结果；在星图成像过程中，诸多的噪声因素会影响质心定位的精度，以及星图质心中心的提取精度，这些都会影响敏感器最终的测量精度。
深空复杂环境下，探测器缺乏地面站有利支持，探测精度、可靠性及生存能力受到严重制约，任何单一传感器很难对环境有准确的描述。因此，需要将信息融合处理算法引入到自主导航中，利用多个传感器获得的多种信息特性，从而获得对环境或对象特征更全面、正确的认识。信息融合算法是一种能够同时利用多种观测信息，并通过信息融合将他们有效地结合起来的导航算法。根据对敏感器观测数据处理方式的不同，可分为批量处理算法和递推处理算法两种。
批量处理算法从原理上说是根据某时刻得到的一批观测数据进行反复的迭代运算得到下一时刻的最优状态估计。探测器初始轨道的确定经常用批处理算法，深空1号利用最小二乘的批量处理算法估计了探测器的轨道参数；递推处理算法通过实时观测实现数据实时更新，并通过数据处理得出新的估计数据。该算法通常用在轨道观测实时处理阶段。
自主导航与控制的仿真验证技术。由于深空探测是一项历时久、风险大、成本高的一项大型工程，尤其是一些载人的深空探测任务。因此，在计划实施之前，需要对所设计的导航控制方案的有效性、可行性和实用性进行反复验证，以提高任务成功概率，节约成本，更是对航天人员生命安全的保障。
为了验证所设计的深空探测自主导航与控制方案的有效性、可行性和实用性，必须针对深空天体探测任务的特点，建立完善的地面仿真试验验证系统，也是深空探测自主导航与控制技术能够转入工程实施的基础和前提。这就需要构建完善的星座数据库、模拟探测器的实际飞行运动环境以及构建完善的仿真系统可行度评价体系。
深空探测自主导航技术的发展趋势
提高导航软件的集成化和模块化。深空探测计划中，由于每次发射任务的探测器所要完成的任务不同，一些探测器会经历巡航段、目标捕获段、飞越段、环绕段和着陆段等，而一些探测任务探测器只经历其中一部分階段。这些探测任务特点不同，但是导航手段却有着相似之处。例如提取分析导航信息、解算导航参数、补偿校正误差以及评估导航性能等，所用算法和流程都是相同或相似的。因此，未来高度集成化和模块化的导航软件是发展的必然趋势，这不仅可以缩短研发周期、减少工作量，而且可以降低成本、提高软件的可靠性。
提高小型化传感器的环境适应性。随着深空探测技术的不断发展，空间任务更强调规模化、小型化、高精度、低成本和低功耗。因此，微型化、高精度、高环境适应性是未来的深空导航敏感器的主要发展方向。此外，由于深空环境是复杂多变的，空间中的等离子体、高能粒子、空间辐射及振动、温度变化等空间因素无法准确预测，会直接影响传感器正常工作，因此，提升敏感器环境适应性也是自主导航技术中一个重要的发展方向。
实现多源异质信息融合。随着深空探测器导航技术的发展，越来越多的导航方式被引入，有效的传感器也越来越多，比如星敏感器、摄像机、惯性器件、X探测器等。这些不同传感器测量原理不同、输出的信息频率不同以及输出时间不同步等。多源异质信息融合旨在任何环境下，建立统一的信息融合理论，将这些不同传感器的信息进行融合，甚至实现传感器的即插即用功能。在此基础上，构建复杂环境下的多源异质信息融合性能评估准则，进一步优化融合算法和系统导航方案。
实现故障自动检测。组合导航并不是简单地将各种导航系统集合在一起，而是将所有参与测量的导航系统的输出信息，通过导航计算机，形成了一个有机的整体。通过有效的数据融合手段，校正误差、优化导航结果。深空探测过程中，一些导航设备进入复杂未知的环境之后，有可能会出现故障，从而导致组合导航无法进行。因此，未来的自主导航系统会朝着故障自动检测的方向发展，当系统检测到故障时，自动隔离故障子系统，自主切换组合模，实现系统自我修复，保证导航持续进行，进一步确保深空探测任务的成功实施。 深空探测自主导航方案
根据不同的飞行阶段，深空探测器飞行可以分为发射段、分离段、巡航段、捕获段、环绕段、着陆段、巡视段等阶段，其中发射段距离地面最近，通常采用地面无线电测控技术，不需要自主导航。在其他不同的飞行阶段，由于探测器所处的空间环境不同，因此自主导航所用导航敏感器、观测对象、图像处理方法以及信息融合算法也不尽相同。
分离段。为了及时修正深空探测器入轨偏差，保证后续巡航及交会等阶段的任务精度，需要精确确定探测器从地球停泊轨道逃逸后的轨道姿态运动状态。在逃逸分离段，地球和月球是探测器的最佳导航目标天体，因此分离段的自主导航系统主要采用基于地月及星光信息的自主导航。定姿方面使用星光观测结合惯性元件完成。
巡航段。巡航阶段，探测器运行在地球与探测目标天体之间的广阔空间，与地球及目标天体相距都在104km以上。由于与主要引力体相距遥远，且巡航阶段运行时间长，惯性导航测量仅适用于该阶段姿态确定以及中途修正的机动测量。天文导航和图像视觉导航是满足该阶段全程应用可行的方案，其中天文导航应用范围更广、成本更低，可靠性更高，因此已在多个深空探测任务巡航段飞行中获得应用。巡航轨道附近的行星、小行星甚至彗星都可作为导航观测目标，如深空1号的自主导航方法。
捕获段。在接近目标天体的捕获段，探测器与地球距离远、飞行速度快，持续时间比较短，依赖地面导航方法对深空探测器进行导航在实时性、覆盖性、可靠性等诸多方面受到限制，难以满足探测器捕获段对高精度实时导航的迫切要求。在此阶段，探测器距离目标天体较近，目标天体观测十分方便，因此使用天文敏感器连续摄取目标天体及其周围天体的图像信息，经图像处理后提取天体在敏感器成像面上的质心，结合探测器的惯性姿态和目标天体的星历确定探测器相对目标天体的轨道和姿态，以修正探测器轨道偏差，确保探测器顺利入轨。
环绕段。与捕获段类似，在探测器环绕段中，地面无线电双向时延大，地面基线短，因此依赖地面信号的导航方法无法用于探测器高精度导航。此外，环绕段还受到目标天体背面不可见因素的影响，天文自主导航方法存在导航信息缺失的区间。因此，为了提高环绕段自主导航精度和稳定性，利用探测器飞行动力学作为导航系统递推模型，以目标天体的视半径和中心指向等信息作为天文量测信息，估计轨道参数，从而实现探测器环绕段精确导航。
于1971年5月发射的水手9号火星探测器验证了捕获段和环绕段的自主导航技术。星上摄像机拍摄到的恒星背景下的火卫一和火卫二的科学图像被用于实时导航，帮助探测器顺利完成了火星捕获段和环绕段的导航任务。
着陆段。在深空探测器自主着陆或附着过程中，探测器需要根据目标天体的表面情况，自主选择安全着陆点，因此对探测器导航系统的精度和实时性要求很高。单纯依靠一种导航手段难以满足精度和实时性的要求。在此阶段，对地距离、速度及三维地形图像信息是容易获取的导航量测信息。因此，着陆段以惯性测量单元为核心导航敏感器，配以距离/速度/图像测量信息对惯性导航结果进行修正，可实现探测器精确着陆和自主避障。
我国的“嫦娥三号”自主导航系统就配备了惯性测量单元（IMU）、激光测距敏感器、微波测距敏感器、光学成像敏感器、激光三维成像敏感器，它利用多种敏感器的信息实现了探测器精确软着陆并自主避障。
巡视段。着陆之后巡视器在天体表面运动，开展各项科学探测活动。这一阶段，地面测控站的无线电信息时延大、覆盖范围有限，目标天体表面环境复杂，该阶段对长时间导航系统的自主性、精确性和可靠性要求高，因此，通常采用组合导航的模式。可利用视觉里程计或立体视觉相机，采集周围环境图像，通过图像分析确定环境对象和巡视器的相对位置，并识别障碍物；惯性导航系统同时提供位置速度和姿态，并通过天文敏感器测量一个天体的高度或顶距，可以获得有关巡视器的地理位置。将这三者的信息进行有效融合，就可以确定巡视器的导航参数。
2004年着陆火星的“勇气号”就配备了完善的导航传感器（如图3所示），包括立体视觉相机、IMU、里程计和太阳敏感器，用于巡视器的自主导航、路径规划以及障碍检测。
深空探测是人类开展航天活动的重要内容，也是我国太空战略的重要组成部分。自主导航技术作为深空探测中一项关键技術，是保障探测器安全、提高探测器精度、确保探测任务成功实施的重要因素。随着中国深空探测活动的不断开展，自主导航技术迎来了新的机遇和挑战。以牛顿理论为基础的传统导航观测模型已难以满足高精度观测的要求，广义相对论正在成为高精度大尺度时空计量的理论基础。以基于X射线脉冲星的自主导航、视觉导航以及基于原子量子效应的高精度惯性导航技术为代表的新型自主导航技术正在快速发展。因此，把握时机，加快自主导航的研究步伐，攻破技术难点，才能为我国深空探测事业做好技术储备，全面提升我国太空力量，为走向太空奠定坚实的基础。
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责 编∕杨昀赟