深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航技術(shù)綜述*

房建成,寧曉琳,馬 辛,劉 勁,桂明臻

(1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院·北京·100191;2.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院·武漢·430081)

0 引 言

深空探測(cè)作為人類航天活動(dòng)的三大領(lǐng)域之一,是國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志,對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、科技、社會(huì)發(fā)展具有重要意義。世界各航天大國(guó)和機(jī)構(gòu)都已制定了未來(lái)的深空探測(cè)計(jì)劃[1-4],對(duì)太陽(yáng)系八大行星和其他天體開(kāi)展探測(cè)活動(dòng)。美國(guó)于2016年9月發(fā)射了OSIRIS-REx號(hào)探測(cè)器,對(duì)101955號(hào)小行星進(jìn)行取樣返回[5];計(jì)劃于2020年發(fā)射火星探測(cè)器,實(shí)現(xiàn)火星取樣返回;計(jì)劃于2021年發(fā)射Lucy號(hào)探測(cè)器,對(duì)5顆木星特洛伊小行星開(kāi)展探測(cè)[6];計(jì)劃于2022年發(fā)射Psyche號(hào)探測(cè)器,對(duì)16 Psyche號(hào)小行星開(kāi)展探測(cè)[5]。ESA(European Space Agency,歐空局)計(jì)劃于2018年10月發(fā)射BepiColombo號(hào)水星探測(cè)器,對(duì)水星的表面環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、磁層進(jìn)行研究[7];計(jì)劃于2020年發(fā)射ExoMars巡視器,對(duì)火星進(jìn)行7個(gè)月的表面探測(cè)任務(wù)[8];計(jì)劃于2022年發(fā)射JUICE號(hào)探測(cè)器,對(duì)木星及其3顆伽利略衛(wèi)星開(kāi)展探測(cè)任務(wù)[9]。俄羅斯計(jì)劃于2022年發(fā)射Phobos-Grunt2號(hào)探測(cè)器,對(duì)火衛(wèi)一進(jìn)行取樣返回;計(jì)劃于2024年發(fā)射Mars-Grunt號(hào)探測(cè)器,對(duì)火星進(jìn)行取樣返回。日本于2014年12月發(fā)射了隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器,并計(jì)劃于2020年12月對(duì)162173號(hào)小行星進(jìn)行取樣返回[10]。

2007年10月24日,我國(guó)成功發(fā)射嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星[11]。2010年10月1日發(fā)射的嫦娥二號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了繞月探測(cè)、日地拉格朗日L2點(diǎn)探測(cè)和對(duì)4179號(hào)小行星Toutatis探測(cè)[2-13]。2013年12月2日,我國(guó)發(fā)射的嫦娥三號(hào)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了月面軟著陸,其巡視器玉兔號(hào)月球車成功實(shí)現(xiàn)了月面巡視,并開(kāi)展了觀天、看地、測(cè)月等科學(xué)探測(cè)[14-15]。2018年5月21日,我國(guó)發(fā)射了嫦娥四號(hào)中繼星鵲橋號(hào),鵲橋號(hào)將飛過(guò)月球,最終到達(dá)地月拉格朗日L2點(diǎn),為嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器建立與地球間的通信和數(shù)傳通道,實(shí)現(xiàn)月球背面的探測(cè)活動(dòng)[16]。

在隨后的探月三期任務(wù)中,我國(guó)還會(huì)實(shí)現(xiàn)月面勘察與采樣返回[17-18]。2016年1月11日,中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)正式立項(xiàng),計(jì)劃于2020年左右發(fā)射1顆火星探測(cè)衛(wèi)星,“十三五”期間還將逐步開(kāi)展實(shí)施火星、金星、小行星等太陽(yáng)系的探測(cè)任務(wù)[19-22]。

深空探測(cè)器目前主要依靠地面站的無(wú)線電測(cè)控進(jìn)行地基定位導(dǎo)航[23-28],對(duì)于距離遙遠(yuǎn)的深空探測(cè)器,存在時(shí)延長(zhǎng)、信號(hào)弱、測(cè)角精度低等限制。為了提高深空探測(cè)器的自主運(yùn)行、自主管理和在軌生存能力,各國(guó)都在積極發(fā)展各種不依賴地面無(wú)線電測(cè)控的自主導(dǎo)航技術(shù)[29-36]。深空探測(cè)器利用各種天體如恒星、行星、小行星和X射線脈沖星等的天文導(dǎo)航是一種有效的自主導(dǎo)航手段。

本文介紹了深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的原理和研究現(xiàn)狀,分析了深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航所涉及的關(guān)鍵技術(shù),最后對(duì)深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航原理

根據(jù)深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航所采用的測(cè)量信息種類的不同,目前的方法主要包括:天文測(cè)角導(dǎo)航[37-40]、天文測(cè)距導(dǎo)航[41-43]和天文測(cè)速導(dǎo)航[44-47]。

1.1 天文測(cè)角導(dǎo)航

天文測(cè)角導(dǎo)航是利用太陽(yáng)、行星、行星衛(wèi)星、小行星、彗星等近天體和恒星等遠(yuǎn)天體之間的夾角進(jìn)行自主導(dǎo)航。由于近天體在任意時(shí)刻的位置和遠(yuǎn)天體的方位可根據(jù)星歷表獲得,而從深空探測(cè)器上觀測(cè)到的近天體之間的夾角、近天體和恒星之間的夾角和近天體視線方向等信息是探測(cè)器位置的函數(shù),通過(guò)這些觀測(cè)量,利用幾何解析的方法或結(jié)合軌道動(dòng)力學(xué)濾波,可獲得探測(cè)器的位置、速度等導(dǎo)航參數(shù)。

本文以星光角距和近天體視角為例,介紹了天文測(cè)角導(dǎo)航的原理如下:首先利用1個(gè)近天體和3顆或以上恒星之間的星光角距,得到探測(cè)器相對(duì)于該近天體的方位信息,然后通過(guò)該近天體的視角計(jì)算得到探測(cè)器到該近天體的距離,這2個(gè)信息就完全確定了探測(cè)器的位置。

通過(guò)測(cè)量1個(gè)近天體和3個(gè)遠(yuǎn)天體 (恒星)間的夾角(A1,A2,A3),即星光角距,如圖1所示,可確定探測(cè)器相對(duì)于該近天體的方位角α和β:

利用近天體視角B和近天體的直徑D,可計(jì)算得到探測(cè)器到該近天體的距離r:

則探測(cè)器相對(duì)于該近天體的位置矢量為r=[rcosαcosβrsinαcosβrsinβ]T。

圖1 深空天文測(cè)角導(dǎo)航原理圖

1.2 天文測(cè)速導(dǎo)航

光學(xué)多普勒效應(yīng)是指導(dǎo)航天體在遠(yuǎn)離 (或接近)深空探測(cè)器的過(guò)程中,光的頻率減小 (或增加)的現(xiàn)象。因此光頻率的變化反映了探測(cè)器與導(dǎo)航天體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),通過(guò)測(cè)量光頻率的偏移,就可以得到探測(cè)器與導(dǎo)航天體之間的徑向速度。

太陽(yáng)和恒星可作為天文測(cè)速的導(dǎo)航天體。以太陽(yáng)為導(dǎo)航天體時(shí),測(cè)速導(dǎo)航將局限于太陽(yáng)系。另外,由于太陽(yáng)矢量方向的精度較低,將影響測(cè)速導(dǎo)航精度。以恒星作為導(dǎo)航天體時(shí),測(cè)速導(dǎo)航將適用于整個(gè)太空,眾多的恒星也給了測(cè)速導(dǎo)航源更多選擇。另外,恒星的星歷誤差較小,可得到精度較高的導(dǎo)航天體矢量方向[39,48]。

天文測(cè)速導(dǎo)航原理如下:導(dǎo)航天體發(fā)出的光譜包含各個(gè)譜段譜線,通常提取某一特定譜線,測(cè)定其由于光學(xué)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率變化,獲得探測(cè)器相對(duì)于導(dǎo)航天體的徑向速度,通過(guò)觀測(cè)3個(gè)以上導(dǎo)航天體,可以獲得探測(cè)器的速度矢量,積分獲得探測(cè)器的位置矢量。

假設(shè)探測(cè)器正在以相對(duì)速度v遠(yuǎn)離導(dǎo)航恒星(若探測(cè)器正在接近導(dǎo)航恒星,則v的符號(hào)為負(fù)),探測(cè)器上的光譜儀先接收到恒星A的波峰,則下一波峰位于距離探測(cè)器處,其中λ為探測(cè)的波長(zhǎng),fs為恒星發(fā)射的光頻率,c為光速。由于波峰以速度c向探測(cè)器運(yùn)動(dòng),而探測(cè)器以速度v遠(yuǎn)離,則波峰到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間為式中,探測(cè)器與光速的相對(duì)速度。

由于相對(duì)論時(shí)間膨脹效應(yīng),探測(cè)器測(cè)量到的波峰到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間為

則接收頻率與發(fā)射頻率的比率為

當(dāng)v?c時(shí),可得,因此光譜偏移量為 Δf=fr-fs=fsβ。

在實(shí)際的深空探測(cè)軌道運(yùn)動(dòng)中,探測(cè)器的速度是三維矢量,如圖2所示,1顆恒星僅能測(cè)量確定探測(cè)器到相對(duì)恒星的徑向速度,需要3顆恒星才可以確定速度矢量vp,即

式中,Δf1、Δf2、Δf3為探測(cè)器測(cè)量得到的3個(gè)頻率偏移,f1、f2、f3為3顆導(dǎo)航恒星的頻率,l1、l2、l3為探測(cè)器到3顆導(dǎo)航恒星的單位矢量。

圖2 深空天文測(cè)速導(dǎo)航原理圖

1.3 天文測(cè)距 (脈沖星)導(dǎo)航

天文測(cè)距導(dǎo)航是指測(cè)量X射線脈沖星相對(duì)探測(cè)器的脈沖到達(dá)時(shí)間,與脈沖星相對(duì)太陽(yáng)系質(zhì)心的標(biāo)準(zhǔn)脈沖到達(dá)時(shí)間相比較,可獲得探測(cè)器到太陽(yáng)系質(zhì)心的距離在X射線脈沖星方向上的投影長(zhǎng)度,采用適當(dāng)?shù)臑V波算法,可得到探測(cè)器的位置、速度、姿態(tài)和時(shí)間等導(dǎo)航信息。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在提供導(dǎo)航信息的同時(shí)還提供時(shí)間基準(zhǔn),其不足在于目前X射線脈沖星的數(shù)目較少,且測(cè)量精度無(wú)法保證。

脈沖星到達(dá)時(shí)間是X射線脈沖星導(dǎo)航的量測(cè)量,其精度與FOM(Figure Of Merit,品質(zhì)因子)有關(guān)[49-50]。品質(zhì)因子最高的是蟹狀星云脈沖星(PSR B0531+21),其光子流量比其他X射線脈沖星高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。單脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)常選擇PSR B1937+21作為導(dǎo)航星。品質(zhì)因子較高的脈沖星為 PSR B1937+21、PSR B1821-24、PSR B1957+20。以上4顆脈沖星是常用的導(dǎo)航星。若要提供三維定位和授時(shí)等信息,脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)至少需要觀測(cè)4顆脈沖星。

基于X射線脈沖星的深空探測(cè)器自主位置確定的基本原理如圖3所示。在太陽(yáng)系質(zhì)心慣性系中,脈沖到達(dá)SSB(Solar System Barycenter,太陽(yáng)系質(zhì)心)的時(shí)間tSSB和深空探測(cè)器上測(cè)量到的脈沖到達(dá)時(shí)間tSC之差Δt與光速c的乘積等于深空探測(cè)器相對(duì)SSB的位置矢量r在脈沖星視線單位矢量方向n上的投影,即

式中,tSC可由探測(cè)器上的脈沖星信號(hào)接收裝置測(cè)量得到,tSSB可根據(jù)脈沖相位模型精確預(yù)測(cè)得到。

圖3 深空天文測(cè)距原理圖

當(dāng)有3顆脈沖星的測(cè)量信息時(shí),就可得

式中,Δt1、Δt2、Δt3分別為第1顆、第2顆、第3顆脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間;tSSB1、tSSB2、tSSB3分別為第1顆、第2顆、第3顆脈沖星的脈沖到達(dá)太陽(yáng)系質(zhì)心的時(shí)間;tSC1、tSC2、tSC3分別為探測(cè)器上測(cè)量到的第1顆、第2顆、第3顆脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間,由此可以計(jì)算得到深空探測(cè)器的三維位置。式(9)的幾何意義如圖4所示。與SSB距離cΔt1、cΔt2、cΔt3,并垂直于脈沖星矢量方 向n1、n2、n3的3個(gè)平面兩兩相交,可以得到3條交線,3條交線的交點(diǎn)即為式 (9)的解,即探測(cè)器所在的位置。

圖4 深空天文測(cè)距定位原理圖

2 深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航現(xiàn)狀

2.1 天文測(cè)角導(dǎo)航

美國(guó)是最先應(yīng)用深空探測(cè)器天文測(cè)角導(dǎo)航的國(guó)家,如水手號(hào) (Mariner)[51-52]、海盜號(hào) (Viking)[53]、旅行者號(hào) (Voyage)[54-55]等。早期捕獲段的自主導(dǎo)航任務(wù)都是將天體敏感器獲取的天文量測(cè)信息發(fā)送回地面進(jìn)行處理后,再上傳回深空探測(cè)器。從深空一號(hào)開(kāi)始,美國(guó)NASA(National Aeronautics and Space Administration,國(guó)家航空航天局)開(kāi)始嘗試在軌驗(yàn)證完全自主的天文測(cè)角導(dǎo)航技術(shù),在火星勘測(cè)軌道器、深空撞擊任務(wù)中真正實(shí)現(xiàn)了基于目標(biāo)天體及其衛(wèi)星的自主天文測(cè)角導(dǎo)航。同時(shí),ESA也在積極研究自主天文導(dǎo)航技術(shù),并實(shí)現(xiàn)了地面驗(yàn)證[56-58]。

表1總結(jié)了天文測(cè)角自主導(dǎo)航技術(shù)在深空探測(cè)器的應(yīng)用情況。

表1 深空任務(wù)中自主導(dǎo)航的應(yīng)用情況

續(xù)表

國(guó)內(nèi)在深空探測(cè)自主天文導(dǎo)航方面的研究起步較晚,尚未在深空任務(wù)中應(yīng)用[83]。但隨著我國(guó)深空探測(cè)計(jì)劃的逐步開(kāi)展,我國(guó)深空探測(cè)器天文測(cè)角自主導(dǎo)航技術(shù)也取得了較快的發(fā)展。

在天體測(cè)量信息的提取方面,北京控制工程研究所針對(duì)轉(zhuǎn)移段深空拖尾圖像,提出了一種交互相關(guān)的圖像處理方法[33];中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所提出了一種深空運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)方法,可用于轉(zhuǎn)移段黯淡運(yùn)動(dòng)天體目標(biāo)的提取[84];中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所提出了一種針對(duì)不規(guī)則天體圖像的視線矢量提取方法[85];南京航空航天大學(xué)針對(duì)寬視場(chǎng)面目標(biāo)天體圖像提出了一種邊緣擬合圖像處理方法[86]。

在深空探測(cè)軌道動(dòng)力學(xué)、軌道設(shè)計(jì)與控制方面,北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)在軌道設(shè)計(jì)、姿態(tài)軌道控制等方面開(kāi)展了深入的研究[87-88];清華大學(xué)對(duì)考慮太陽(yáng)攝動(dòng)的小行星附近的軌道動(dòng)力學(xué)、小天體附近的軌道動(dòng)力學(xué)以及強(qiáng)不規(guī)則天體引力場(chǎng)中的軌道動(dòng)力學(xué)開(kāi)展了相關(guān)研究[35,89-91];國(guó)家天文臺(tái)和南京大學(xué)分別深入研究了月球和深空探測(cè)軌道動(dòng)力學(xué)[92-94]。

在天文測(cè)角自主導(dǎo)航方法方面,北京航空航天大學(xué)提出了轉(zhuǎn)移段基于小行星觀測(cè)的自主導(dǎo)航方法和捕獲段基于火星和火星衛(wèi)星觀測(cè)的自主導(dǎo)航方法[18-19];清華大學(xué)也開(kāi)展了基于火星衛(wèi)星觀測(cè)的火星接近段自主導(dǎo)航方法研究[34,95-96];北京理工大學(xué)針對(duì)天體表面精確著陸自主導(dǎo)航問(wèn)題開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)和研究[97-99];北京控制工程研究所針對(duì)地火轉(zhuǎn)移段提出了小行星的選取優(yōu)化原則[100],并提出了針對(duì)小行星觀測(cè)的批處理最小二乘濾波方法[101];針對(duì)火星捕獲段還提出了一種在軌融合光學(xué)圖像和無(wú)線電測(cè)量信息的自主導(dǎo)航方法[102];針對(duì)地外天體軟著陸階段,提出了基于陸標(biāo)圖像和基于慣導(dǎo)/測(cè)距/測(cè)速的安全軟著陸自主導(dǎo)航方法[103-104]。

在深空探測(cè)天文測(cè)角導(dǎo)航敏感器方面,北京航空航天大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了自主天文導(dǎo)航的研究工作。在深空探測(cè)自主導(dǎo)航敏感器的研制方面[105-106],北京控制工程研究所、上海衛(wèi)星工程研究所、上海航天控制技術(shù)研究所相繼開(kāi)展了深空探測(cè)自主導(dǎo)航敏感器及自主導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的研制工作。其中北京控制工程研究所圍繞火星探測(cè)地火轉(zhuǎn)移段任務(wù),對(duì)基于光學(xué)成像導(dǎo)航的深空探測(cè)自主導(dǎo)航方法開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān),研制了深空自主導(dǎo)航高精度光學(xué)成像敏感器樣機(jī),搭建了深空探測(cè)光學(xué)成像測(cè)量自主導(dǎo)航及仿真驗(yàn)證系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了地面測(cè)試小天體視場(chǎng)方向0.5″的測(cè)量精度[107-109];上海衛(wèi)星工程研究所、上海航天控制技術(shù)研究所圍繞我國(guó)即將開(kāi)展的第一次獨(dú)立探火任務(wù),開(kāi)展了寬視場(chǎng)、多譜段敏感器的研制工作。中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所開(kāi)展了基于天基平臺(tái)深空目標(biāo)觀測(cè)敏感器的研制,并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)深空運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)、跟蹤與天文定位,可用于轉(zhuǎn)移段小行星觀測(cè)的天文測(cè)角自主導(dǎo)航[110];此外還開(kāi)展了火星敏感器的研制,可用于火星探測(cè)器捕獲段基于火星觀測(cè)的天文測(cè)角自主導(dǎo)航。

2.2 天文測(cè)速導(dǎo)航

1960年,Franklin R G.等首先研究了通過(guò)觀測(cè)天體電磁輻射進(jìn)行導(dǎo)航的方法,著重研究了多普勒速度量測(cè)量[111]。若用探測(cè)器觀測(cè)太陽(yáng)發(fā)出的光譜頻移獲得的速度信息代替觀測(cè)地面站發(fā)出的射線頻移獲得的信息,則可與傳統(tǒng)測(cè)角導(dǎo)航組合獲得完全自主的導(dǎo)航方法。2000年,Yim J.R.闡明了此方法的可行性,并在僅考慮光譜儀及星敏感器測(cè)量誤差的情況下獲得了3～5km的位置精度[112]。2002年,Henderson T.A.研制了基于太陽(yáng)多普勒頻移測(cè)速的探測(cè)器軌道確定半物理仿真系統(tǒng)[113]。Kallunki J.、Kosovichev A.G. 和Abramov-Maximov V.E.對(duì)太陽(yáng)振蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析研究[114-116]。Greetham Gregory M.研制了超高時(shí)間分辨率的原子鑒頻儀[117]。

國(guó)內(nèi)也已開(kāi)展了天文多普勒測(cè)速導(dǎo)航的相關(guān)研究。上海衛(wèi)星工程研究所圍繞我國(guó)即將開(kāi)展的火星探測(cè)任務(wù),提出了基于恒星光譜測(cè)速的天文自主導(dǎo)航方法[39,118-119],并推導(dǎo)了視向速度測(cè)量誤差與定速誤差統(tǒng)計(jì)特性之間的映射關(guān)系[120]。北京航空航天大學(xué)研究了基于小波分析和密度估計(jì)相結(jié)合的光譜頻移測(cè)量方法[36,121]及基于恒星光譜測(cè)速和脈沖星測(cè)距組合的導(dǎo)航方法[40,122-124]。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所針對(duì)光譜頻移值的測(cè)量開(kāi)展了理論和技術(shù)探索[125-127]。南京大學(xué)與紫金山天文臺(tái)對(duì)天文測(cè)速導(dǎo)航目標(biāo)源的觀測(cè)進(jìn)行了研究[128]。中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所對(duì)原子鑒頻測(cè)速技術(shù)開(kāi)展了研究[129-130]。

2.3 天文測(cè)距導(dǎo)航

早在20世紀(jì)80年代初,美國(guó)的Chester和Butman就提出了利用X射線脈沖星進(jìn)行深空探測(cè)器自主導(dǎo)航的構(gòu)想[44]。

在2004年初,各航天大國(guó)就開(kāi)始制定脈沖星自主導(dǎo)航的研究計(jì)劃。美國(guó)國(guó)防部國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局提出了基于X射線源的自主導(dǎo)航定位驗(yàn)證計(jì)劃。同年8月,美國(guó)航空航天局和海軍天文臺(tái)等多家單位啟動(dòng)了基于X射線脈沖星的自主導(dǎo)航研究計(jì)劃,同時(shí)納入美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要。同年,歐洲空間局也開(kāi)展了X射線脈沖星導(dǎo)航可行性的論證工作[45]。

2005年,美國(guó)Maryland大學(xué)的Sheikh博士構(gòu)建了X射線脈沖星自主導(dǎo)航的基本框架[131-132],提出了基于品質(zhì)因子的X射線脈沖星選星標(biāo)準(zhǔn),并建立了脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量模型。Emadzadeh提出了基于X射線脈沖星的編隊(duì)飛行相對(duì)導(dǎo)航方法[133-134]。

我國(guó)X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的研究雖然起步相對(duì)較晚,但發(fā)展迅速。中國(guó)科學(xué)院[135]、西安電子科技大學(xué)[136]、國(guó)防科技大學(xué)[137]等單位對(duì)脈沖星信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了研究;中國(guó)空間技術(shù)研究院[138]、北京控制工程研究所[139]、裝甲兵工程學(xué)院[140]、南京航空航天大學(xué)[141]、北京航空航天大學(xué)[142]、武漢科技大學(xué)[142]等單位對(duì)脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)中的卡爾曼濾波技術(shù)展開(kāi)了研究,并取得了一系列寶貴的成果。

2016年11月,我國(guó)成功發(fā)射了首顆脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星 (XPNAV-1)[143]。2017年6月,慧眼HXMT望遠(yuǎn)鏡升空[144],并于2018年1月正式交付使用。

近期,中國(guó)空間技術(shù)研究院[138]、西安電子科技大學(xué)[131]、中國(guó)科學(xué)院[145]利用XPNAV-1和天宮二號(hào)提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了X射線脈沖星導(dǎo)航驗(yàn)證工作。

2.4 組合導(dǎo)航

天文測(cè)角通過(guò)天體之間的角度,獲得瞬時(shí)位置參數(shù),位置微分得到深空探測(cè)器速度,因此速度估計(jì)精度不高,且位置估計(jì)精度與深空探測(cè)器到天體的距離有關(guān);天文測(cè)距通過(guò)脈沖到達(dá)時(shí)間,獲得瞬時(shí)位置參數(shù),位置微分得到深空探測(cè)器速度,速度估計(jì)精度不高,且脈沖信號(hào)輻射微弱,采樣周期長(zhǎng);天文測(cè)速通過(guò)光譜的多普勒頻移直接獲得速度信息,速度積分得到深空探測(cè)器位置,速度精度高,但位置隨時(shí)間發(fā)散。通過(guò)對(duì)測(cè)角、測(cè)距、測(cè)速信息的有效融合,可實(shí)現(xiàn)各種導(dǎo)航方法之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),避免測(cè)角、測(cè)距、測(cè)速導(dǎo)航的不足,使組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能優(yōu)于各子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、速度的整體優(yōu)化估計(jì)。

文獻(xiàn) [146-147]對(duì)天文測(cè)角與天文測(cè)距組合的導(dǎo)航方法進(jìn)行了論述。文獻(xiàn) [148]分析了利用天文測(cè)角、天文測(cè)速信息進(jìn)行組合導(dǎo)航的可行性。文獻(xiàn) [149]對(duì)天文測(cè)速與天文測(cè)距組合的導(dǎo)航方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn) [42,150]研究了天文測(cè)角、天文測(cè)距、天文測(cè)速組合導(dǎo)航的導(dǎo)航效果。

3 自主天文導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 導(dǎo)航信息的測(cè)量與提取

3.1.1 天體質(zhì)心的測(cè)量

要獲取天體的角度,首先需要獲取天體的質(zhì)心。當(dāng)探測(cè)器距離自然天體較遠(yuǎn)時(shí),天體在敏感器上的像可視為點(diǎn)目標(biāo);而當(dāng)探測(cè)器距離天體較近時(shí),天體就不能再視為點(diǎn)目標(biāo),由于受到天體本身形狀不規(guī)則、太陽(yáng)光照和陰影,以及觀測(cè)角度等條件的影響,此時(shí)要想精確獲得天體的質(zhì)心,就需要根據(jù)深空探測(cè)器到天體的距離研究相應(yīng)的質(zhì)心獲取算法[151]。

3.1.2 光譜頻移的測(cè)量

測(cè)量太陽(yáng)或恒星的光譜頻移是實(shí)現(xiàn)天文測(cè)速的重要環(huán)節(jié)。一般步驟包括:光譜預(yù)處理、特征譜線提取和頻移解算。天體光譜的預(yù)處理包括噪聲去除和連續(xù)譜歸一化。常用的去噪方法包括高斯濾波、中值濾波、小波閾值法[152]。太陽(yáng)光譜中有很多夫瑯和費(fèi)線,理論上只要準(zhǔn)確測(cè)定了同一條吸收譜線在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,所對(duì)應(yīng)的頻率值以及探測(cè)器速度方向與太陽(yáng)相對(duì)探測(cè)器方向的夾角,就可以精確地解算出某一時(shí)刻的徑向速度。在實(shí)際操作中提取多條譜線以減少計(jì)算誤差。特征譜線的提取是光譜頻移值測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù),受深空探測(cè)器高速飛行、恒星光譜信噪比低影響,特征譜線的提取難度大。頻移值解算精度受到光譜不穩(wěn)定因素的影響。因此特征譜線的提取是天文測(cè)速導(dǎo)航測(cè)量的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.1.3 脈沖到達(dá)時(shí)間的測(cè)量

脈沖到達(dá)時(shí)間的精度直接影響深空探測(cè)器的定位精度。脈沖到達(dá)時(shí)間的基本測(cè)量步驟如下:首先,由于脈沖星信號(hào)極其微弱,必須較長(zhǎng)時(shí)間(約5～10min)累積脈沖信號(hào),并且利用星載原子鐘時(shí)間作為參考時(shí)間,整合脈沖信號(hào)即可獲得探測(cè)到的X射線脈沖信號(hào)輪廓。最后,提取脈沖到達(dá)時(shí)間量測(cè)量小數(shù)部分,整數(shù)部分可由深空探測(cè)器導(dǎo)航系統(tǒng)估計(jì)得到。脈沖到達(dá)時(shí)間量測(cè)精度的主要因素包括星載原子鐘誤差、測(cè)量噪聲以及相對(duì)論效應(yīng)修正殘差等。因此,脈沖星到達(dá)時(shí)間估計(jì)是脈沖星導(dǎo)航量測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)脈沖星導(dǎo)航,深空探測(cè)器還需要獲得脈沖到達(dá)時(shí)間的預(yù)報(bào)值。該預(yù)報(bào)值可由脈沖星計(jì)時(shí)模型得到。該模型精度主要受以下因素影響:脈沖星的內(nèi)部特性、數(shù)據(jù)處理方法以及X射線背景噪聲。因此,如何構(gòu)建高精度的脈沖星計(jì)時(shí)模型也是脈沖星導(dǎo)航測(cè)量必須攻克的一個(gè)難關(guān)。

3.2 自主導(dǎo)航濾波算法

星光角距、脈沖到達(dá)時(shí)間、星光多普勒速度是三種天文自主導(dǎo)航系統(tǒng)的量測(cè)量。通過(guò)前面的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)分析可知,受太空背景噪聲、原子鐘誤差、VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量)技術(shù)的測(cè)角誤差、敏感器噪聲以及恒星內(nèi)部性質(zhì)等影響,量測(cè)量不可避免地存在誤差。通過(guò)信號(hào)處理中的降噪方法可以降低部分噪聲水平,如背景噪聲以及敏感器噪聲。而采用去噪方法則較難消除其他噪聲,如原子鐘誤差、VLBI技術(shù)的測(cè)角誤差等。為了進(jìn)一步提高定位精度,導(dǎo)航系統(tǒng)通常都采用濾波技術(shù)對(duì)各類誤差進(jìn)行處理。自主導(dǎo)航濾波算法可以分為以下兩類:

(1)批處理濾波算法

目前大部分深空任務(wù)的導(dǎo)航參數(shù)估計(jì)都采用最小二乘濾波這種批處理濾波算法[153,59],解算出使得指標(biāo)函數(shù)殘差二次型最小的狀態(tài)量作為導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,并且不需要知道狀態(tài)量的任何驗(yàn)前統(tǒng)計(jì)信息,是常用的一種濾波方法,適用于事后探測(cè)器的軌道確定。這種方法在事后軌道確定過(guò)程中性能優(yōu)于EKF(Extended Kalman Filter,擴(kuò)展卡爾曼濾波)等序貫濾波方法;但對(duì)于軌道動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜的實(shí)時(shí)導(dǎo)航參數(shù)獲取,這種方法并不適用。

(2)序貫濾波算法

實(shí)時(shí)的導(dǎo)航信息是探測(cè)器實(shí)時(shí)控制的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)導(dǎo)航需要可以實(shí)時(shí)處理導(dǎo)航信息的KF(Kalman Filter,卡爾曼濾波)、EKF、UKF(Unscented Kalman Filter,無(wú)跡卡爾曼濾波)等序貫濾波算法。由于計(jì)算過(guò)程不需要反復(fù)迭代,與最小二乘法相比存儲(chǔ)容量小、處理速度快,更適用于深空探測(cè)器的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。信使號(hào)、深空一號(hào)等探測(cè)器的天文導(dǎo)航系統(tǒng)濾波方法就采用KF方法[64-67]。

(3)兩種濾波算法的組合

由于深空探測(cè)器對(duì)實(shí)時(shí)精確導(dǎo)航信息的迫切需求,探測(cè)器導(dǎo)航系統(tǒng)通常使用這兩種濾波算法的組合。一種算法負(fù)責(zé)前向處理數(shù)據(jù),另一種算法負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的多組量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后向處理?？梢岳眯蜇灋V波方法進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)處理,也可以利用序貫濾波和批處理濾波的組合分別進(jìn)行前向數(shù)據(jù)估計(jì)和后向數(shù)據(jù)平滑[154]。

3.3 異步時(shí)滯信息的組合導(dǎo)航

隨著航天技術(shù)的發(fā)展,對(duì)深空探測(cè)導(dǎo)航性能的要求日益提升。各種導(dǎo)航方法間都存在各自的優(yōu)點(diǎn)及缺陷,單一的導(dǎo)航方法將難以滿足要求。組合導(dǎo)航可以實(shí)現(xiàn)各種導(dǎo)航方法間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),是最有效、最實(shí)用的深空探測(cè)器自主導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。但是,各種導(dǎo)航方法量測(cè)量的采樣周期不同。測(cè)角導(dǎo)航量測(cè)量的采樣周期約為1s,測(cè)速導(dǎo)航的采樣周期約為1min,而測(cè)距導(dǎo)航由于脈沖星信號(hào)極其微弱,因此需要的采樣周期較長(zhǎng),約為數(shù)十分鐘。此外,在組合導(dǎo)航中,各種導(dǎo)航方法量測(cè)量獲取的時(shí)刻也可能不同,帶來(lái)異步的問(wèn)題。因此,需要解決上述組合導(dǎo)航中的異步時(shí)滯問(wèn)題。

多層動(dòng)態(tài)信息融合是克服異步時(shí)滯問(wèn)題的有效途徑。根據(jù)量測(cè)量的獲取時(shí)刻,動(dòng)態(tài)選擇相應(yīng)的濾波器進(jìn)行組合,最大程度地利用各導(dǎo)航方法量測(cè)量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì),提升導(dǎo)航性能。

4 深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著深空探測(cè)的不斷發(fā)展,自主天文導(dǎo)航也將發(fā)揮更大的作用,但也面臨更高的挑戰(zhàn),需要在狀態(tài)方程的精確建模、基于新型測(cè)量原理的導(dǎo)航方法和量測(cè)信息的處理、先進(jìn)濾波方法和天文組合導(dǎo)航方法等方面有所突破。

(1)狀態(tài)方程的精確建模

天文導(dǎo)航系統(tǒng)中狀態(tài)模型的精度是影響導(dǎo)航精度的一個(gè)重要因素。由于深空探測(cè)器的軌道運(yùn)動(dòng)與地球衛(wèi)星相比更為復(fù)雜,包括發(fā)射段 (Launch Phase)、巡航段 (Cruise Phase)、接近段 (Approach Phase)、捕獲段 (Capture Phase)以及遭遇段 (Encounter Phase)和環(huán)繞段等多個(gè)不同的階段,這些不同階段對(duì)導(dǎo)航算法的精度、實(shí)時(shí)性和可靠性的要求也不同,因此針對(duì)不同階段導(dǎo)航的不同特點(diǎn)和要求,動(dòng)力學(xué)模型是深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的重要研究?jī)?nèi)容[155-159]。

(2)基于新型測(cè)量原理的導(dǎo)航方法

基于太陽(yáng)振蕩時(shí)間延遲的天文測(cè)距導(dǎo)航、多普勒測(cè)速導(dǎo)航都是基于新型量測(cè)原理的自主天文導(dǎo)航方法。

基于太陽(yáng)振蕩時(shí)間延遲的天文測(cè)距導(dǎo)航方法利用由于太陽(yáng)活動(dòng)引起的光譜變化作為特征,分別記錄直射太陽(yáng)光特征到達(dá)時(shí)間和經(jīng)過(guò)近天體反射后太陽(yáng)光特征到達(dá)時(shí)間之差解算出深空探測(cè)器相對(duì)于反射天體的位置[160]。這種方法彌補(bǔ)了天文測(cè)角導(dǎo)航不能直接提供距離信息這一不足,但缺乏高精度太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)和太陽(yáng)光反射模型[161],目前仍處于研究和探索階段。因此建立高時(shí)間分辨率的太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)和高精度目標(biāo)天體太陽(yáng)光反射模型是值得研究的問(wèn)題。

天文測(cè)速導(dǎo)航具有測(cè)速精度高、全程可用的優(yōu)點(diǎn)。但天文光譜數(shù)據(jù)缺乏,且光譜不穩(wěn)定。如何找到一種穩(wěn)定性好、信噪比高、可精確建模的導(dǎo)航信息源是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題[113-115]。此外,研發(fā)精密的光譜觀測(cè)儀和發(fā)展精確的速度計(jì)算方法也是今后的研究方向。

(3)濾波方法及相應(yīng)的理論分析方法在天文導(dǎo)航中的應(yīng)用

目前,國(guó)外工程任務(wù)中實(shí)際使用的濾波方法是最為簡(jiǎn)單的批處理加權(quán)最小二乘法。原因一方面來(lái)自于星載計(jì)算機(jī)能力的限制,另一方面來(lái)自于該濾波方法在野值的檢測(cè)和剔除方面具有優(yōu)勢(shì),并且在復(fù)雜誤差條件下穩(wěn)定性好,可靠性高。但該濾波方法的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的,其可靠性的獲得是以犧牲精度為代價(jià)的,并且該方法還需要大量的存儲(chǔ)空間,累積一個(gè)弧段的數(shù)據(jù)才能得到結(jié)果,實(shí)時(shí)性差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和星載計(jì)算能力的提高,該方法必然被性能更好的濾波方法所取代。困擾深空探測(cè)器濾波精度和可靠性的最大問(wèn)題是其誤差影響因素具有多源、時(shí)變和突變的特點(diǎn)[162-163],針對(duì)上述誤差,目前所采用的批處理加權(quán)最小二乘法顯然不是最適合的濾波方法。要想在上述復(fù)雜的誤差條件下獲得高精度、高可靠的導(dǎo)航結(jié)果必須要改進(jìn)現(xiàn)有濾波方法。此外,在濾波參數(shù)的選擇上,除了探測(cè)器的位置、速度和姿態(tài)之外,在未來(lái)的深空探測(cè)任務(wù)中未知或不確定天體的重力場(chǎng)參數(shù)、星歷參數(shù)等也需要在濾波過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)[164-167]。

(4)深空探測(cè)器的天文組合導(dǎo)航方法

隨著航天技術(shù)的發(fā)展,對(duì)深空探測(cè)器自主導(dǎo)航系統(tǒng)性能的要求將越來(lái)越高,單獨(dú)任何一種自主導(dǎo)航系統(tǒng)都存在不足,無(wú)法獨(dú)自滿足日益增加的高精度和高可靠性的需求。將現(xiàn)有天文導(dǎo)航方法與其他導(dǎo)航方法相結(jié)合構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)各種導(dǎo)航方法之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),并使組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能優(yōu)于各子系統(tǒng),是最為實(shí)用的深空探測(cè)器自主導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案[168]。例如將探測(cè)行星的陸標(biāo)信息和天文信息相結(jié)合[169-170],就可以提高深空探測(cè)器在繞飛和變軌時(shí)的軌道控制精度和著陸時(shí)的準(zhǔn)確性;將慣性導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航與天文信息相結(jié)合,就可以提高巡視器的位置、速度及姿態(tài)精度[171];利用軌道器之間或軌道器和著陸器間的相對(duì)距離和速度信息與天文信息相結(jié)合,就可以提高深空探測(cè)器在交會(huì)對(duì)接時(shí)的導(dǎo)航精度[172]。此外,利用信息融合技術(shù)進(jìn)行組合導(dǎo)航也是未來(lái)深空探測(cè)器提高系統(tǒng)故障檢測(cè)和隔離能力的重要途徑[173-174]。

5 結(jié) 論

隨著我國(guó)火星探測(cè)工程等深空探測(cè)任務(wù)的開(kāi)展,深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航技術(shù)也將發(fā)揮更大的作用。開(kāi)展深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航方法及相關(guān)方面的理論方法研究,可為我國(guó)未來(lái)深空探測(cè)器自主軌道確定和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。