深空探測自主導航方法

天文導航。天文導航是以已知星歷的自然天體作為導航信標，利用光學導航敏感器對導航信標進行成像，通過圖像處理算法對導航信標進行識別定位，根據導航信標的星歷信息或特征信息，結合光學導航敏感器的內外參數，提供高精度的慣性視線指向，從而進行載體姿態位置確定的一種導航定位方法。天文導航無需地面無線電設備參與，自主性、安全性和隱蔽性強，對于飛行在深空中無法依賴地面測控的探測器而言，有著得天獨厚的應用環境。根據觀測天體信息的不同，天文導航可分為基于太陽和行星天文導航以及基于小行星的天文導航兩種。

（1）基于太陽和行星天文導航。利用太陽和行星進行自主導航是最為成熟的天文導航方案。將太陽和行星作為導航信標，確定探測器導航參數。由于太陽和行星在任意時刻的位置可根據星歷獲得，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信息。

將太陽和行星作為導航信標，被動接收這些天體自身輻射的光學信息進行導航，太陽和行星在空間的運動規律不受人為改變，從根本上保證了這種導航方式的自主性和可靠性。而且，天文導航可以同時提供導航位置和姿態信息，導航精度高，導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備，設備簡單造價低，便于推廣應用。

早在20世紀60年代，美國“阿波羅”登月計劃中就已經使用了這種導航方法。1982年美國JPL實驗室研制的自主導航系統用于木星的飛行任務，它是利用光學敏感器測量恒星與行星之間的夾角進行導航。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行導航的。

（2）基于小行星的天文導航。小行星是太陽系中類似行星環繞太陽運動的天體，由于其體積和質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行定位，可以大大提高導航的精度。

基于小行星的天文導航技術中，非常關鍵的一步是導航小行星的篩選，導航小行星的選擇在探測器發射前期就需要完成。首先，利用設計探測器的標稱軌道和小行星的星歷，篩選出對應時間區間的小行星列表；然后根據絕對星等約束，篩選出滿足導航目標亮度要求的小行星列表；之后，根據探測器相對小行星視線方向和探測器當前的期望姿態，考慮到相機的安裝位置和可能成像到相機的恒星數，可以給出對應時間區間的可用小行星列表；最后，優化導航小行星列表，保證每個觀測窗口對導航小行星拍照所需要的機動時間最小。

基于小行星的自主導航已經成功地應用在了“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。我國發射的第二顆探月衛星、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目標，獲得了分辨率優于10米月球表面三維影像、月球物質成分分布圖等資料，如圖1所示。2011年4月1日，嫦娥二號拓展試驗展開，在完成繞月探測和日地拉格朗日L2點科學探測任務后，對深空4179號小行星（圖塔蒂斯）進行近距離飛越探測。為確定小行星的精確運行軌道，2012年5月至12月，中國科學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，共獲得175組高質量觀測圖像，為復核確認和自主確定小行星的高精度軌道提供了有效數據支持。

基于序列圖像的自主導航。基于序列圖像的自主導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行處理分析從而獲取探測器的位置、速度和姿態等導航信息。根據所采用敏感器的不同，基于序列圖像的自主導航可以分為兩類：主動式和被動式。