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”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。