火星探測(cè)陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)的研究發(fā)展分析

王 濤

（中山大學(xué)智能工程學(xué)院，廣州510006）

1 引 言

早在1962年，從蘇聯(lián)開(kāi)始，人類(lèi)啟動(dòng)了首次火星探測(cè)任務(wù)，向火星發(fā)射了火星1 號(hào)探測(cè)器，然而該探測(cè)器在飛行至距地球一億多公里時(shí)與地面失去聯(lián)系，第一次人類(lèi)探測(cè)火星任務(wù)以失敗告終。直到1971年，蘇聯(lián)再次發(fā)射火星2 號(hào)探測(cè)器，探測(cè)器成功登陸火星表面。隨后，1976年美國(guó)發(fā)射了海盜1 號(hào)和海盜2 號(hào)火星探測(cè)器，以衛(wèi)星著陸器的形式降落火星表面。1997年7月4日，美國(guó)探路者號(hào)火星探測(cè)車(chē)登陸火星表面，首次執(zhí)行探測(cè)任務(wù)。之后美國(guó)又陸續(xù)發(fā)射了勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)、好奇號(hào)和洞察者號(hào)火星車(chē)，均在火星表面成功著陸。中國(guó)于2020年7月23日成功使用長(zhǎng)征五號(hào)大推力運(yùn)載火箭把天問(wèn)1 號(hào)火星探測(cè)器送往地火轉(zhuǎn)移軌道，如7 個(gè)月后成功登陸火星，必將對(duì)我國(guó)未來(lái)深空行星探測(cè)任務(wù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。另一方面，2020年夏天，美國(guó)NASA 再次向火星投放毅力號(hào)探測(cè)車(chē)，同時(shí)附加安裝在探測(cè)車(chē)上還有一架無(wú)人機(jī)Ingenuity，用于協(xié)同地面車(chē)輛提前規(guī)劃制定行進(jìn)路線，以及尋找需要探索的區(qū)域。

很多火星探測(cè)的研究論著集中探討火星大氣的環(huán)境和陸地表面情況［1-3］，包括對(duì)著陸火星的氣動(dòng)特性分析［4-9］，針對(duì)火星探測(cè)地面車(chē)系統(tǒng)［10-16］進(jìn)行研究，也有學(xué)者對(duì)火星探測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)［17-19］進(jìn)行了初步的技術(shù)探索研究。Balarm等［20］對(duì)NASA即將執(zhí)行首次飛行任務(wù)的無(wú)人直升機(jī)的設(shè)計(jì)及全尺寸原型機(jī)測(cè)試驗(yàn)證進(jìn)行了總結(jié)描述，火星大氣層內(nèi)無(wú)人飛行系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)作為一種全新的探測(cè)器，將能夠提供超越軌道衛(wèi)星、陸地探測(cè)車(chē)的能力，可以大幅增強(qiáng)陸地探測(cè)安全執(zhí)行任務(wù)能力，提供更遠(yuǎn)距離和可行駛區(qū)域、可探索區(qū)域的預(yù)先探索定位。我們可以稱(chēng)之為火星探測(cè)陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)。近年來(lái)，大量的研究集中在同域空間協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)應(yīng)用［21-25］，但是，陸空協(xié)同的無(wú)人系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用研究成果［26-28］，對(duì)火星地面探測(cè)提供了更有前景的探測(cè)器結(jié)構(gòu)。本文將從闡述對(duì)地面探測(cè)車(chē)和無(wú)人飛行器設(shè)計(jì)有重要關(guān)聯(lián)的火星陸地和大氣環(huán)境開(kāi)始，展開(kāi)對(duì)地面探測(cè)車(chē)和無(wú)人火星飛行器的研究，以及對(duì)陸空協(xié)同系統(tǒng)技術(shù)的研究探討，最后給出行星探測(cè)陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

2 火星環(huán)境

到目前為止，人類(lèi)向火星發(fā)射了近40顆各類(lèi)型的探測(cè)器，著陸探測(cè)任務(wù)僅有8 次獲得成功。為了確保火星探測(cè)器成功著陸，非常有必要進(jìn)行火星自然地表環(huán)境以及大氣環(huán)境的研究［29-31］與模擬［4，10］，用于測(cè)試火星著陸探測(cè)系統(tǒng)。

2.1 地面環(huán)境

從美國(guó)發(fā)射的多顆著陸探測(cè)器傳回的情況總結(jié)來(lái)說(shuō)，火星基本上是荒漠行星［31］，其表面覆蓋著松散的顆粒或砂礫石塊，圖1 為NASA 的機(jī)遇號(hào)傳回的著陸點(diǎn)——毅力谷附近的火星地貌圖。

圖1 NASA機(jī)遇號(hào)傳回的火星地貌圖Fig.1 Opportunity’s view of Martian ground texture

火星雖然是一顆地質(zhì)活動(dòng)并不活躍的行星，但是目前的環(huán)境探測(cè)信息顯示，火星地形地貌特征具有多樣性，表現(xiàn)為嚴(yán)重的坑化，有高山、峽谷、大小坑地形、盾形火山、河床、平地等，起伏跌宕，變化很大；表面嚴(yán)重風(fēng)化，有各種沙丘；另外還有獨(dú)特的極地形貌［30］。這些地形地貌與著陸探測(cè)器系統(tǒng)的降落地點(diǎn)選擇緊密相聯(lián)，決定了探測(cè)器行進(jìn)中的危險(xiǎn)障礙風(fēng)險(xiǎn)和可持續(xù)探測(cè)任務(wù)的能力。

另一方面，火星表面土壤表現(xiàn)為與月壤類(lèi)似的特征［32］，其顆粒直徑范圍比較廣，表層的顆粒直徑比月壤表層的顆粒直徑要大，但是火星土壤密度比較小。相較于月壤，火星表層容重總體上偏小，火星土壤的內(nèi)摩擦角要比月球土壤的內(nèi)摩擦角小，火星土壤的承載力和月球接近，如圖2和圖3所示，火星土壤與月壤的松軟程度比較接近，這對(duì)火星探測(cè)地面車(chē)輛系統(tǒng)研制具有重要的參考意義。

圖2 好奇號(hào)行駛后留下土壤車(chē)轍痕跡Fig.2 Curiosity’s view of Martian dune after crossing it

圖3 中國(guó)探月工程玉兔2號(hào)留下的車(chē)轍Fig.3 Yutu2’s view of the Moon’s Mare Imbrium region

火星塵埃主要組成成分為極細(xì)粒的硅酸鹽顆粒物，會(huì)在火星地表隨風(fēng)遷移，探測(cè)器的研發(fā)需要考慮這種物質(zhì)對(duì)火星探測(cè)器的光學(xué)部件可能產(chǎn)生的威脅以及火星探測(cè)器壽命的影響，塵埃沉積為太陽(yáng)能電池板以及裸露在火星環(huán)境中的其他硬件設(shè)備的效率和壽命帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，勇氣號(hào)曾因?yàn)樘?yáng)能電池板蒙塵，電力持續(xù)下降導(dǎo)致供電系統(tǒng)癱瘓［33］。另外，火星上極有可能存在含有磁性物質(zhì)的土壤和塵埃，磁性的監(jiān)測(cè)也將為無(wú)人系統(tǒng)儀器正常工作提供重要信息。

2.2 大氣環(huán)境

本文針對(duì)行星探測(cè)可能存在的陸空系統(tǒng)應(yīng)用選擇開(kāi)展相關(guān)研究探討，劉高同等［18］對(duì)火星表面大氣環(huán)境特性進(jìn)行了模擬仿真研究，設(shè)計(jì)合理有效的行星探測(cè)無(wú)人飛行系統(tǒng)亟需可靠的火星大氣地面模擬裝置，以提供試驗(yàn)基礎(chǔ)保障。

已有的火星探測(cè)器數(shù)據(jù)表明，火星表面大氣環(huán)境呈現(xiàn)出稀薄、干燥、嚴(yán)寒、風(fēng)沙大、沙塵暴頻繁的特點(diǎn)，并且處于低氣壓和低溫狀態(tài)（如圖4），這些問(wèn)題是火星著陸無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)必須面對(duì)和克服的問(wèn)題?；鹦潜砻娲髿鈮簭?qiáng)只有地球的0.6%，而且主要成分CO2占全部氣體的95.97%，大氣中還夾帶著大量沙塵。因此，在這種環(huán)境下，火星探測(cè)無(wú)人系統(tǒng)所搭載儀器與周?chē)h(huán)境需要進(jìn)行熱平衡研究。

火星每天都處于一個(gè)巨大的熱循環(huán)，火星溫度在-110℃～+30℃的范圍變化，對(duì)于探測(cè)器電子系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，風(fēng)暴引起的沙塵會(huì)覆蓋洞察號(hào)的太陽(yáng)能電池板，使得電力不足，從而導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)機(jī)械臂無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行精準(zhǔn)的操控，這些在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中都是需要克服的問(wèn)題。

圖4 勇氣號(hào)火星90天測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分布圖Fig.4 Spirit recorded temperatures’change in 90 days

3 火星探測(cè)無(wú)人系統(tǒng)

3.1 地面探測(cè)車(chē)

行星表面深度探測(cè)中最具科學(xué)價(jià)值的信息通常來(lái)源于復(fù)雜/極端地形探測(cè)，相較于在軌飛行的探測(cè)器，小型化地面探測(cè)車(chē)成為人類(lèi)執(zhí)行星表探測(cè)任務(wù)的備受關(guān)注的手段［34］，目前為探測(cè)月球、火星、小行星而研發(fā)的小型星表無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)有很多代表性應(yīng)用［35］。目前為止成功登陸火星的無(wú)人地面探測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)表1。

旅居者號(hào)探測(cè)車(chē)是探路者任務(wù)使用的地面火星車(chē)，采用地面站遙控方式，地火之間通信時(shí)延使得地面人員不能實(shí)時(shí)控制旅居者號(hào)，其有限的自主體現(xiàn)在自主地形穿越、突發(fā)事件處理和資源管理。勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)的控制方式是短距離內(nèi)自主導(dǎo)航和地面遙操作任務(wù)執(zhí)行，兩者的自主性實(shí)現(xiàn)了數(shù)小時(shí)內(nèi)的無(wú)人監(jiān)測(cè)、復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)控制等。好奇號(hào)工作模式是長(zhǎng)距離自主導(dǎo)航和任務(wù)遙操作，車(chē)載強(qiáng)大的實(shí)時(shí)軟件維護(hù)能力，并在火星上行駛過(guò)程中執(zhí)行高效路徑規(guī)劃決策，以及在采樣過(guò)程中對(duì)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自主精準(zhǔn)控制［36-37］。隨著多源異構(gòu)傳感器、車(chē)載計(jì)算機(jī)、大容量長(zhǎng)效動(dòng)力電池和自主導(dǎo)航控制算法的飛速發(fā)展，火星地面探測(cè)車(chē)的自主能力越來(lái)越強(qiáng)，可以獨(dú)立自主完成復(fù)雜的科學(xué)探測(cè)任務(wù)，所需人工干預(yù)越來(lái)越少，正在向自主智能型火星車(chē)發(fā)展。盡管如此，勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)以及好奇號(hào)都曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)探測(cè)信息不夠、控制不及時(shí)導(dǎo)致的深陷火星坑；損壞科學(xué)儀器和車(chē)輛行走系統(tǒng)等問(wèn)題，無(wú)法執(zhí)行更多更深度的探測(cè)任務(wù)。

表1 已經(jīng)著陸火星地面探測(cè)車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistics of launched rovers on Mars

3.2 火星無(wú)人飛行系統(tǒng)

火星大氣稀薄、環(huán)境低壓，對(duì)無(wú)人火星飛行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出了巨大的挑戰(zhàn)，雖然無(wú)人地面系統(tǒng)無(wú)法解決視野局限性、滿(mǎn)足地形地貌大范圍高精度測(cè)量等高價(jià)值行星探索需求的問(wèn)題，火星無(wú)人飛行系統(tǒng)相關(guān)研究仍然備受科學(xué)與工程研制者的關(guān)注。趙鵬越等［17］對(duì)研究旋翼火星無(wú)人機(jī)特性和應(yīng)用可行性進(jìn)行了總結(jié)闡述，并對(duì)火星無(wú)人機(jī)的飛行氣動(dòng)特性和導(dǎo)航控制系統(tǒng)集成方案進(jìn)行了說(shuō)明。姚克明等［38-42］對(duì)火星無(wú)人機(jī)的旋翼升阻動(dòng)力特性、建模、視覺(jué)景象導(dǎo)航以及自主任務(wù)規(guī)劃與控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索研究。Balarm等［20］對(duì)NASA即將隨Mars 2020 任務(wù)實(shí)施首次火星大氣層內(nèi)飛行的火星直升機(jī)的技術(shù)和地面測(cè)試試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

火星旋翼直升機(jī)技術(shù)是非常令人期待的技術(shù)之一，其將完成低重力、低氣壓和稀薄大氣內(nèi)的火星飛行任務(wù)?；鹦菬o(wú)人機(jī)的質(zhì)量不到1.8kg，在火星上，由于重力的不同，它將重約680g。機(jī)身和壘球差不多，它的雙槳葉將穿過(guò)稀薄的火星大氣層，以每分鐘近3000 轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，速度大約是陸地車(chē)的10 倍。為了應(yīng)對(duì)夜間達(dá)到-90°C 的剛性火星溫度，無(wú)人機(jī)還配備了可通過(guò)太陽(yáng)能電池板充電的鋰離子電池和加熱系統(tǒng)。這架小型旋翼直升機(jī)安裝在毅力號(hào)火星探測(cè)車(chē)的腹部，其設(shè)計(jì)目的是驗(yàn)證此種行星探測(cè)無(wú)人飛行系統(tǒng)是否可以在地球以外的地方使用，類(lèi)似的設(shè)備可能在未來(lái)十年用于探索土衛(wèi)六等地外行星，這將是第一架在其他星球上飛行的飛行器，在著陸后以毅力號(hào)為載機(jī)母艦進(jìn)行固定。通過(guò)探測(cè)車(chē)協(xié)助尋找到合適的區(qū)域后，才會(huì)開(kāi)始執(zhí)行試飛任務(wù)，直升機(jī)將在30天內(nèi)完成最多5次飛行測(cè)試，升空后將為毅力號(hào)提供更多可探測(cè)區(qū)域、可行駛區(qū)域以及地形地貌等相關(guān)數(shù)據(jù)，可供無(wú)人地面探測(cè)車(chē)執(zhí)行安全路徑規(guī)劃和更高精度的導(dǎo)航與控制使用。

圖5 火星旋翼無(wú)人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.5 The scheme of Mars helicopter

其關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）葉片設(shè)計(jì)技術(shù)

火星引力只有地球的38%，因此無(wú)人機(jī)不需要產(chǎn)生與地球上相同的懸浮力。另一方面因?yàn)榛鹦堑拇髿饷芏戎挥械厍虼髿鈱拥?%?；鹦秋w行器的飛行雷諾數(shù)（Re）約為103～104，要比地球上的飛行器的飛行雷諾數(shù)小兩個(gè)量級(jí)，因此火星直升機(jī)就相當(dāng)于在地面高空約30 公里上飛行［43］?；鹦巧蠠o(wú)人直升機(jī)的旋翼只能選擇高達(dá)3000轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)產(chǎn)生足夠的升力，這對(duì)旋翼葉片的設(shè)計(jì)提出了新要求。

（2）不依賴(lài)衛(wèi)星導(dǎo)航的導(dǎo)航控制技術(shù)

火星稀薄的大氣導(dǎo)致火星無(wú)人直升機(jī)的飛行姿態(tài)調(diào)整過(guò)程比較遲緩?；鹦巧系娘L(fēng)、沙塵暴等也將嚴(yán)重影響火星無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性，這要求無(wú)人機(jī)對(duì)變化的環(huán)境能夠進(jìn)行快速調(diào)整，以保證其飛行安全。此外，火星無(wú)人機(jī)要具備很強(qiáng)的自主判斷和執(zhí)行能力，不能完全依賴(lài)地面遙操作控制，避免通信延遲造成不可預(yù)測(cè)的事故?；鹦菬o(wú)人機(jī)飛行要能夠以火星漫游車(chē)或火星衛(wèi)星作為時(shí)空基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航定位，并能夠回歸無(wú)人探測(cè)車(chē)母港固定。因此，火星無(wú)人機(jī)的控制方法必須考慮低氣壓氣動(dòng)特性，具備較高的抗環(huán)境干擾能力。

（3）飛行環(huán)境安全控制技術(shù)

火星白天的溫度最高可達(dá)30℃左右，但夜間溫度可以降至-90℃。因此，火星無(wú)人機(jī)載各種器件必須能夠經(jīng)受反復(fù)的冷熱交替，無(wú)人機(jī)具備可靠的機(jī)載實(shí)時(shí)熱控系統(tǒng)，以保障控制系統(tǒng)正常運(yùn)作。此外，火星上的沙塵暴問(wèn)題導(dǎo)致的太陽(yáng)能電池?zé)o法充電亦需要進(jìn)行控制；而沙塵會(huì)導(dǎo)致火星直升機(jī)很薄的旋翼葉片加速磨損，從而導(dǎo)致飛行器壽命降低。這些都是環(huán)境安全控制技術(shù)需要考慮的。

（4）地面測(cè)試試驗(yàn)技術(shù)

由于火星與地球之間重力場(chǎng)不同、大氣密度偏差巨大等問(wèn)題，在地面模擬火星無(wú)人直升機(jī)在火星上的飛行環(huán)境面臨重大挑戰(zhàn)。地面試驗(yàn)技術(shù)要求盡可能模擬火星上直升機(jī)的運(yùn)行條件，包括在真空室中模擬火星的低密度環(huán)境以及類(lèi)似火星上的溫度變化，以驗(yàn)證直升機(jī)能否在寒冷的氣溫下生存和正常工作。更重要的是，要真正模擬在火星上的重力場(chǎng)對(duì)飛行的影響，必須模擬地球三分之二的引力，要有一套重力卸載系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的重點(diǎn)是確定直升機(jī)的推力、功率、關(guān)鍵系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性和自由飛行的控制。

3.3 協(xié)同合作無(wú)人系統(tǒng)

無(wú)人飛行器能夠用于大區(qū)域范圍內(nèi)的目標(biāo)搜索，但是無(wú)人飛行器無(wú)法對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行精確定位與識(shí)別，另一方面，無(wú)人地面車(chē)輛系統(tǒng)能夠用于高精度定位地面目標(biāo)，但是不具備快速移動(dòng)、及時(shí)有效識(shí)別前方障礙危險(xiǎn)等能力，因此陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)下應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［26-28，44-48］。

過(guò)往的探測(cè)行動(dòng)表明，火星的地形十分復(fù)雜，行駛漫游車(chē)太艱難，同時(shí)據(jù)火星與地球間的相對(duì)位置的不同，信號(hào)需要8～42 分鐘才能實(shí)現(xiàn)往返，靠地面遙操作地面探測(cè)車(chē)往往由于延遲導(dǎo)致探測(cè)車(chē)陷入困境，甚至無(wú)法及時(shí)調(diào)整任務(wù)目標(biāo)。單純依靠火星探測(cè)地面車(chē)輛系統(tǒng)的火星地表探測(cè)任務(wù)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，需要空中無(wú)人系統(tǒng)為地表探測(cè)任務(wù)提供信息支援，從而適應(yīng)復(fù)雜地外行星環(huán)境，滿(mǎn)足行星探測(cè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)任務(wù)要求，確保探測(cè)任務(wù)系統(tǒng)的安全，提高生存能力，更高效地完成任務(wù)。本文提出火星探測(cè)的陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)任務(wù)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 火星探測(cè)陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)的任務(wù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Scheme of ground-aerial cooperative unmanned systems for Mars exploration

借助上述陸空協(xié)同探測(cè)系統(tǒng)任務(wù)結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)以探測(cè)車(chē)為無(wú)人直升機(jī)母港，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的固定?？恳约皶r(shí)空基準(zhǔn)定位；以無(wú)人直升機(jī)為前哨，提供協(xié)同探測(cè)共享信息，預(yù)測(cè)可行駛路徑、可探索區(qū)域以及預(yù)判前方障礙危險(xiǎn)等。無(wú)人直升機(jī)在其中扮演僚機(jī)的角色，保障火星深度探測(cè)任務(wù)執(zhí)行的能力和效率。

陸空協(xié)同合作無(wú)人系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）陸空異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同控制技術(shù)。由于無(wú)人地面系統(tǒng)與無(wú)人飛行系統(tǒng)之間存在很大的差異，目前關(guān)于多機(jī)器人系統(tǒng)研究成果不能直接應(yīng)用于無(wú)人飛機(jī)和地面車(chē)輛系統(tǒng)，需要對(duì)其中展現(xiàn)的大量新特征進(jìn)一步研究，必須處理來(lái)自?xún)蓚€(gè)異構(gòu)平臺(tái)的信息以及有效協(xié)調(diào)車(chē)和機(jī)的行為，使得相關(guān)研究更具挑戰(zhàn)性。

（2）陸空協(xié)同導(dǎo)航規(guī)劃。在各種環(huán)境中，飛行系統(tǒng)利用其視角為地面探測(cè)車(chē)提供大范圍探測(cè)圖像信息和通信中繼等，輔助地面探測(cè)車(chē)安全導(dǎo)航規(guī)劃，完成從起始位置到達(dá)目標(biāo)位置；無(wú)人車(chē)為飛行器系統(tǒng)提供不依賴(lài)衛(wèi)星導(dǎo)航條件下的時(shí)空基準(zhǔn)，起、降、返航母平臺(tái)，并為無(wú)人飛行系統(tǒng)提供復(fù)雜的任務(wù)規(guī)劃決策解算。

（3）陸空協(xié)同的動(dòng)力能源共享技術(shù)。無(wú)人飛行系統(tǒng)由于其惡劣的飛行環(huán)境，其動(dòng)力能源系統(tǒng)無(wú)法提供長(zhǎng)時(shí)有效的支持，復(fù)雜笨重的地面探測(cè)車(chē)系統(tǒng)可以通過(guò)能源共享管理，對(duì)無(wú)人飛行系統(tǒng)提供緊急動(dòng)力保障，確保協(xié)同共生系統(tǒng)的持續(xù)生存能力。

對(duì)無(wú)人探測(cè)地面車(chē)和無(wú)人飛行器協(xié)同合作的SWOT 分析如表2。表明陸空協(xié)同合作的行星探測(cè)系統(tǒng)將具備無(wú)人探測(cè)車(chē)和無(wú)人飛行器所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的行星探測(cè)任務(wù)能力，這也是NASA 的工程師堅(jiān)持追求在火星漫游車(chē)上實(shí)施火星無(wú)人直升機(jī)試驗(yàn)任務(wù)的核心，有可能在未來(lái)其他行星地表探測(cè)任務(wù)中推廣陸空協(xié)同合作無(wú)人系統(tǒng)，從而提高行星深度探測(cè)的效能。

4 發(fā)展趨勢(shì)

在未來(lái)行星探測(cè)任務(wù)中，沒(méi)有模板或既定的任務(wù)目標(biāo)清單可以直接借鑒使用，凸顯了未知復(fù)雜環(huán)境下的跨域無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同合作需求的重要性，要拓展行星探測(cè)任務(wù)的地理空間域，實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)跨空間域的合作與協(xié)調(diào)、綜合行動(dòng)互補(bǔ)，應(yīng)對(duì)未來(lái)行星探測(cè)任務(wù)中內(nèi)外活動(dòng)環(huán)境的沖突威脅，努力尋求協(xié)同合作探測(cè)無(wú)人系統(tǒng)在速度、活動(dòng)區(qū)域、探測(cè)范圍、通信、保障以及有效負(fù)載能力等方面協(xié)調(diào)互補(bǔ)。必須從感知、認(rèn)知到行為決策控制全交互協(xié)調(diào)的角度對(duì)陸空協(xié)作環(huán)境下異構(gòu)無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同探測(cè)、協(xié)同認(rèn)知導(dǎo)航與控制決策問(wèn)題進(jìn)行研究。跨域多無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同控制過(guò)程中，不同地理空間域無(wú)人平臺(tái)之間存在層次關(guān)系，需要在遵循特定協(xié)同合作機(jī)制基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)地獲得多域協(xié)同效能的最優(yōu)或非劣解，協(xié)同控制過(guò)程和影響關(guān)系復(fù)雜，具有以下技術(shù)發(fā)展特征：

（1）協(xié)同任務(wù)管理?yè)碛虚_(kāi)放架構(gòu)的系統(tǒng)族，需要研究一種通用的陸空協(xié)同無(wú)人探測(cè)的系統(tǒng)架構(gòu)，可集成多無(wú)人系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)陸空無(wú)人系統(tǒng)協(xié)作指控。

（2）研究行星用無(wú)人飛行系統(tǒng)的新型動(dòng)力系統(tǒng)，提高飛行環(huán)境的適應(yīng)生存能力，開(kāi)發(fā)協(xié)同合作無(wú)人系統(tǒng)的能源共享技術(shù)，地面無(wú)人探測(cè)車(chē)系統(tǒng)作為無(wú)人飛行系統(tǒng)的駐泊港灣，研究自主能源保障和系統(tǒng)自主健康監(jiān)測(cè)管理技術(shù)。

（3）無(wú)人飛行器和無(wú)人地面系統(tǒng)平臺(tái)由于角色和任務(wù)不同，分處不同認(rèn)知層次，呈現(xiàn)遞階-分布式結(jié)構(gòu)，使用預(yù)測(cè)控制技術(shù)解決無(wú)人飛行器和無(wú)人地面車(chē)的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配和實(shí)時(shí)控制問(wèn)題。

（4）陸空協(xié)同合作系統(tǒng)的信息為無(wú)中心分布，各地理空間域內(nèi)無(wú)人平臺(tái)均只擁有系統(tǒng)的部分信息，呈現(xiàn)信息分散的特點(diǎn)，以地面探測(cè)器或在軌運(yùn)行行星探測(cè)衛(wèi)星為時(shí)空基準(zhǔn)，進(jìn)行探測(cè)信息的有效融合共享。

表2 陸空協(xié)同系統(tǒng)相對(duì)單一探測(cè)系統(tǒng)的SWOT分析表Table 2 SWOT of ground-aerial cooperative unmanned systems

（5）在復(fù)雜未知的行星探測(cè)作業(yè)環(huán)境中，通信環(huán)境比較苛刻，難以保證信道隨時(shí)暢通，且存在帶寬受限、高丟包率、長(zhǎng)延時(shí)等情況，呈現(xiàn)通信約束的特點(diǎn)，必須要考慮陸地探測(cè)器、空中飛行器和在軌探測(cè)衛(wèi)星之間的泛網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題。

（6）行星地表環(huán)境下的自主熱控管理技術(shù)，需要研究陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)各自對(duì)環(huán)境溫度的自適應(yīng)調(diào)控，確保自身儀器系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)合理的溫控系統(tǒng)。比如，當(dāng)本體溫度較低時(shí)，規(guī)劃后續(xù)工作模式為通信、感知、探測(cè)等大功率模式，提高溫度水平；反之，則規(guī)劃后續(xù)進(jìn)入小功率工作模式，并推遲大功率工作模式，降低溫度水平。

（7）未來(lái)發(fā)展陸空協(xié)同行星探測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)本身實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)級(jí)控制必須要考慮信息過(guò)載問(wèn)題，進(jìn)一步采用類(lèi)腦認(rèn)知智能技術(shù)，利用搭載多層次傳感器進(jìn)行陸空無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)平臺(tái)的多源數(shù)據(jù)采集、分析、融合處理，并研究使用多源注意機(jī)制解決實(shí)時(shí)任務(wù)控制過(guò)程中可能出現(xiàn)的信息過(guò)載問(wèn)題。

（8）加強(qiáng)行星探測(cè)過(guò)程中的導(dǎo)航技術(shù)，可靠的行星探測(cè)地表導(dǎo)航技術(shù)能夠確保未來(lái)火星等行星探測(cè)任務(wù)科學(xué)價(jià)值的最大化，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)智能排序、傳感器約束路徑規(guī)劃、自然地形視覺(jué)定位和實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)來(lái)解決這一問(wèn)題。

（9）陸空協(xié)同合作系統(tǒng)必須要考慮探測(cè)行星的地表環(huán)境、輻射以及大氣氣候環(huán)境，開(kāi)展地面模擬環(huán)境逼近模擬試驗(yàn)，對(duì)陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)開(kāi)展嚴(yán)苛的地面模擬測(cè)試試驗(yàn)，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行，提高協(xié)同系統(tǒng)的生存能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)火星探測(cè)無(wú)人系統(tǒng)的行星地表環(huán)境以及大氣環(huán)境進(jìn)行了闡述，并對(duì)環(huán)境因素對(duì)行星地表探測(cè)無(wú)人系統(tǒng)的影響進(jìn)行了總結(jié)。然后通過(guò)對(duì)包括火星探測(cè)車(chē)的應(yīng)用現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)問(wèn)題、火星無(wú)人飛行系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及未來(lái)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行綜合分析，提出了在進(jìn)行火星等行星探測(cè)任務(wù)中發(fā)展陸空多無(wú)人協(xié)同合作系統(tǒng)執(zhí)行深度行星地表探測(cè)的需求、關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合陸空協(xié)同無(wú)人系統(tǒng)的SWOT分析說(shuō)明未來(lái)行星探測(cè)系統(tǒng)采用陸空協(xié)同系統(tǒng)的潛在應(yīng)用價(jià)值。綜合以上分析，提出了未來(lái)火星探測(cè)無(wú)人協(xié)同合作系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)特征，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)研究發(fā)展方向以及試驗(yàn)驗(yàn)證研究方法設(shè)計(jì)提供了思路。

展望未來(lái)無(wú)人系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展方向，陸空協(xié)同無(wú)人探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究不僅能夠高效完成行星地表深度探測(cè)任務(wù)，更能夠在其他地球環(huán)境下的復(fù)雜動(dòng)態(tài)任務(wù)中發(fā)揮多域無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同合作的特有能力，進(jìn)行陸地、水面/水下、空中乃至天基無(wú)人系統(tǒng)多域融合、協(xié)同合作，從而有效應(yīng)對(duì)人類(lèi)無(wú)法解決的極端任務(wù)，包括漫長(zhǎng)邊境安全管控、城市應(yīng)急沖突管理乃至智能化戰(zhàn)爭(zhēng)等。