小天體主動(dòng)附著制導(dǎo)與控制技術(shù)研究進(jìn)展

崔平遠(yuǎn)，趙冬越，朱圣英，葛丹桐

(1. 北京理工大學(xué)深空探測(cè)技術(shù)研究所，北京100081；2. 深空自主導(dǎo)航與控制工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；3.飛行器動(dòng)力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

0 引 言

小天體(包括小行星和彗星)探測(cè)對(duì)人類了解太陽(yáng)系的起源與演化、防御近地小天體撞擊以及驗(yàn)證最新的航天技術(shù)具有重要價(jià)值。隨著小天體探測(cè)活動(dòng)的深入開展，探測(cè)任務(wù)的復(fù)雜程度不斷提升，在小天體表面進(jìn)行軟著陸已經(jīng)成為當(dāng)前主要的探測(cè)手段。與月球、火星著陸任務(wù)相比，探測(cè)器在小天體附近所受引力較小，運(yùn)動(dòng)速度較低，因此常將其降落在小天體表面的過(guò)程描述為“附著”[1]。迄今為止，實(shí)施小天體表面附著的探測(cè)任務(wù)共有五次，分別是美國(guó)的“近地小行星交會(huì)”(NEAR)任務(wù)、“冥王號(hào)”(OSIRIS-REx)任務(wù)、歐洲空間局的“羅塞塔”(Rosetta)任務(wù)、日本的“隼鳥號(hào)”(Hayabusa)和“隼鳥2號(hào)” (Hayabusa-II)任務(wù)。其中NEAR-Shoemaker探測(cè)器于2001年在小行星433 Eros表面實(shí)施了首次小天體附著[2]，Hayabusa探測(cè)器于2005年對(duì)小行星25143 Ikotawa進(jìn)行了接觸式采樣，首次實(shí)現(xiàn)了小天體采樣返回[3]。Rosetta探測(cè)器于2014年成功向彗星67P/Churyumov-Gerasimenko表面投放著陸器菲萊(Philae)，完成了首次彗星附著[4]，Hayabusa的后繼型號(hào)Hayabusa-II探測(cè)器于2019年對(duì)小行星1999 JU3 Ryugu進(jìn)行了表面接觸與采樣，OSIRIS-REx探測(cè)器則于2020年10月實(shí)現(xiàn)了對(duì)小行星101955 Bennu的附著采樣，預(yù)計(jì)2023年攜帶樣品返回。

由于目標(biāo)小天體與地球一般距離較遠(yuǎn)，地面測(cè)控通訊時(shí)延大，為了滿足附著任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，探測(cè)器必須具備自主附著能力[6]。而小天體體積較小、形狀不規(guī)則、引力場(chǎng)弱且分布不均勻，探測(cè)器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受太陽(yáng)光壓等擾動(dòng)力的影響顯著。同時(shí)受限于地面觀測(cè)條件，小天體的形貌、大小以及自旋周期等物理參數(shù)存在較大的不確定性。此外，小天體表面地形復(fù)雜，溝壑、斜坡、碎石等地形障礙分布廣泛。上述因素都使自主附著面臨諸多挑戰(zhàn)，加之探測(cè)器本身存在的控制誤差和系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，附著速度過(guò)大時(shí)容易造成彈跳、傾覆甚至墜毀事故[7]。

未來(lái)的小天體探測(cè)任務(wù)中，目標(biāo)小天體和附著區(qū)域的選取需要更多地考慮其科學(xué)研究?jī)r(jià)值，附著難度與風(fēng)險(xiǎn)水平將會(huì)進(jìn)一步提升，要求探測(cè)器具備更強(qiáng)的環(huán)境感知和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與規(guī)避能力，能夠?qū)⒆灾鬈壽E規(guī)劃、穩(wěn)健精確制導(dǎo)和安全控制策略高效結(jié)合，做到對(duì)附著風(fēng)險(xiǎn)的提前感知、快速分析、有效處理。當(dāng)前自主附著技術(shù)的研究工作逐漸向體系化、智能化的趨勢(shì)發(fā)展，研究目標(biāo)已不限于被動(dòng)應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)狀況，而是追求主動(dòng)防范潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而提出了“主動(dòng)附著控制”的新概念[8]。為區(qū)別于以應(yīng)對(duì)附著風(fēng)險(xiǎn)為主的設(shè)計(jì)思路，本文將具有主動(dòng)防范附著風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)思想稱為“主動(dòng)附著”，將能夠?qū)崿F(xiàn)附著過(guò)程自主感知與決策、防范附著任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)、提高小天體附著安全性的制導(dǎo)與控制技術(shù)稱為“主動(dòng)附著制導(dǎo)與控制技術(shù)”。以下將對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展方向進(jìn)行歸納分析。

1 小天體主動(dòng)附著的技術(shù)難題

探測(cè)器在小天體表面實(shí)施主動(dòng)附著，需要同時(shí)克服外在環(huán)境的干擾和系統(tǒng)自身的局限性，做到準(zhǔn)確的環(huán)境感知和快速的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。由于任務(wù)環(huán)境存在的一系列不利因素，使得主動(dòng)附著的實(shí)現(xiàn)面臨如下技術(shù)難題。

1.1 先驗(yàn)觀測(cè)信息匱乏

小天體體積小，依賴地面觀測(cè)往往無(wú)法獲得準(zhǔn)確的周邊環(huán)境與物理參數(shù)等信息，且不同小天體在形狀、自旋狀態(tài)、引力場(chǎng)、表面地形等方面存在顯著差異，導(dǎo)致已實(shí)施的任務(wù)難以為新的任務(wù)提供充分的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[9]。而探測(cè)器對(duì)著陸任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確評(píng)估需要高精度觀測(cè)信息的積累，大量未知風(fēng)險(xiǎn)的存在增加了星上評(píng)估的困難性。Rieger等[10]對(duì)近地小行星周期軌道的研究表明，一些近地小行星周圍具備體積更小的自然衛(wèi)星長(zhǎng)期存在的條件，而直徑10 m以內(nèi)、繞小天體周期軌道運(yùn)行的物體很難被發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)。同樣難以預(yù)計(jì)的還有小天體內(nèi)部地質(zhì)活動(dòng)產(chǎn)生的拋射物質(zhì)、彗星附近的氣體和塵埃，小天體表面尺度較小的碎石和地形起伏，以及深空環(huán)境中動(dòng)態(tài)變化的輻射、溫差等因素[11]，都可能干擾探測(cè)器的正常運(yùn)行。此外，小天體的形狀以及內(nèi)部密度分布等信息也無(wú)法憑借地面觀測(cè)準(zhǔn)確預(yù)知，導(dǎo)致引力場(chǎng)分布存在較大的不確定性。諸如此類的潛在風(fēng)險(xiǎn)都對(duì)探測(cè)器的軌跡優(yōu)化與自主控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)，同時(shí)要求探測(cè)器具備更加全面、準(zhǔn)確的環(huán)境感知與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力。

1.2 星載計(jì)算資源有限

小天體附近引力場(chǎng)弱，且分布不均勻，加之太陽(yáng)光壓、多體引力等擾動(dòng)因素的影響，導(dǎo)致探測(cè)器在小天體周圍的運(yùn)動(dòng)軌跡存在較大的不確定性。在附著過(guò)程中，為了修正探測(cè)器的位置和姿態(tài)偏差，維持運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)和姿控飛輪等執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往需要經(jīng)歷頻繁啟停[12]，占用大量星上計(jì)算資源。同時(shí)，為了提高復(fù)雜地形條件下的附著安全性，控制系統(tǒng)一方面需要存儲(chǔ)海量的地形地貌和引力場(chǎng)數(shù)據(jù)，另一方面需要具備應(yīng)急避險(xiǎn)和軌跡快速重規(guī)劃能力。由于高精度數(shù)值方法普遍需要較高的計(jì)算量和較大的緩存容量，一般的星載計(jì)算機(jī)難以兼顧計(jì)算精度和速度。因此，主動(dòng)附著要求探測(cè)器搭載高效、可在線實(shí)時(shí)運(yùn)行的軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)控制算法，在簡(jiǎn)化計(jì)算的同時(shí)盡可能保證較高的實(shí)時(shí)性和安全性。

1.3 星表形貌復(fù)雜多樣

小天體表面地形復(fù)雜，山脊、低谷、凹坑和丘陵廣泛分布，表面碎石等體積較小的障礙往往難以提前預(yù)知，只有探測(cè)器下降至距離表面數(shù)十米的高度后才能識(shí)別，這些地形障礙對(duì)探測(cè)器附著的安全性構(gòu)成威脅[13-14]。由于不同小天體地形地貌特征差異較大，探測(cè)器附著過(guò)程中遇到的地形障礙形式多樣，避障模式單一、固定的控制方法可能在多重約束條件下難以實(shí)施，或不能達(dá)到預(yù)期效果。此外系統(tǒng)導(dǎo)航、控制誤差和可能出現(xiàn)的硬件故障將會(huì)加大探測(cè)器與地形障礙碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。因此探測(cè)器需要具備對(duì)地形特征和異常狀態(tài)準(zhǔn)確辨識(shí)的能力，以及靈活應(yīng)對(duì)多種突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)、確保附著安全穩(wěn)健的主動(dòng)控制能力。

2 小天體附著任務(wù)回顧

在小天體附著過(guò)程中，通常依靠探測(cè)器的環(huán)境感知、軌跡生成、自主下降與風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避等功能，實(shí)現(xiàn)安全附著。以圖1所示的Hayabusa-II探測(cè)器為例，實(shí)施附著前，探測(cè)器在距離小天體表面20 km處懸停，確定目標(biāo)附著區(qū)域，計(jì)算最優(yōu)附著軌跡，隨后在地面測(cè)控系統(tǒng)的輔助下緩速下降。當(dāng)高度減小到100 m時(shí)，向小天體表面釋放人工信標(biāo)，并進(jìn)入自主控制模式。在自主下降過(guò)程中，使用相機(jī)和激光雷達(dá)等傳感設(shè)備對(duì)下方地形進(jìn)行掃描，評(píng)估附著區(qū)域安全性，并視情況實(shí)施障礙規(guī)避機(jī)動(dòng)，直至探測(cè)器接觸表面，完成采樣并返回。已實(shí)施的四次小天體附著任務(wù)都對(duì)上述三項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了類似的探索與實(shí)踐。

圖1 Hayabusa-II探測(cè)器附著過(guò)程示意圖[17]Fig.1 Landing operation sequence of Hayabusa-II[17]

在附著環(huán)境感知方面，歷次任務(wù)采用光學(xué)成像和激光探測(cè)等手段，對(duì)小天體表面地形進(jìn)行成像與建模，并篩選最佳附著點(diǎn)。NEAR-Shoemaker探測(cè)器攜帶了一臺(tái)537×244像素的多光譜成像儀，對(duì)小行星433 Eros進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)繞拍攝[15]，環(huán)繞軌道高度最低達(dá)到2.74 km，對(duì)小天體表面的成像分辨率小于0.5 m[2]。在Rosetta任務(wù)中，軌道器和著陸器分別攜帶光學(xué)成像系統(tǒng)，用于觀測(cè)附著區(qū)地形和跟蹤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[4]。Hayabusa和Hayabusa-II探測(cè)器安裝有四臺(tái)激光測(cè)距儀(Laser range finder, LRF)，在下降過(guò)程中對(duì)下方地形進(jìn)行反復(fù)掃描以檢測(cè)表面平整性，Hayabusa同時(shí)配備了用于檢測(cè)近距離地形障礙的扇形波束傳感器(Fan beam sensor, FBS)，確保探測(cè)器附著區(qū)域足夠平坦[16-17]。

在附著軌跡生成與制導(dǎo)方面，歷次任務(wù)的附著點(diǎn)選取與附著軌跡計(jì)算均由地面測(cè)控團(tuán)隊(duì)完成，探測(cè)器或釋放著陸器進(jìn)行無(wú)控附著，或利用軌控發(fā)動(dòng)機(jī)以脈沖推力的方式執(zhí)行制導(dǎo)指令。NEAR任務(wù)中，探測(cè)器離軌后共進(jìn)行了四次脈沖減速，最終以1.5～1.8 m/s的垂直相對(duì)速度接觸433 Eros表面，通過(guò)加速度計(jì)測(cè)量探測(cè)器實(shí)時(shí)速度并調(diào)整脈沖輸出時(shí)間，保證減速效果達(dá)到預(yù)期[2,18]。Philae著陸器則以無(wú)控下降為主，但攜帶了冷氣推進(jìn)裝置，可以在下降速度偏離預(yù)期時(shí)進(jìn)行修正[19]。Hayabusa和Hayabusa-II探測(cè)器則向預(yù)定附著點(diǎn)投放了人工信標(biāo)，在地面測(cè)控的指引下對(duì)人工信標(biāo)進(jìn)行跟蹤。在附著的最后階段，探測(cè)器進(jìn)入自主控制模式，從人工信標(biāo)正上方緩速下降，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)激光雷達(dá)(Light detection and ranging, LIDAR)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)下降速度進(jìn)行反饋控制，將表面接觸前垂直相對(duì)速度保持在10 cm/s左右[16,20]。

在附著風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避控制方面，Philae著陸器配備有起落架和錨定裝置，可以承受最高1.5 m/s的垂直相對(duì)接觸速度引發(fā)的沖擊，起落架與彗星表面接觸后，錨定裝置和冷氣反推系統(tǒng)啟動(dòng)抑制著陸器彈跳，連接主體的萬(wàn)向節(jié)則能夠防止著陸器傾覆并吸收多余的角動(dòng)量[21]。Hayabusa探測(cè)器出于安全考慮設(shè)計(jì)了緊急避險(xiǎn)機(jī)制，當(dāng)FBS檢測(cè)到地形障礙時(shí)控制系統(tǒng)將中止附著并自動(dòng)上升[16]。

然而在實(shí)際附著過(guò)程中，上述任務(wù)仍遇到了不同程度的安全問(wèn)題。如NEAR探測(cè)器在低軌飛行的過(guò)程中受擾動(dòng)影響偏離了預(yù)期軌道[15]，附著時(shí)又由于測(cè)量偏差導(dǎo)致探測(cè)器接觸表面后發(fā)動(dòng)機(jī)未能立即關(guān)機(jī)，增加了設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)[2]；Philae著陸器則因?yàn)槔錃馔七M(jìn)裝置和錨定裝置相繼發(fā)生故障，導(dǎo)致其接觸彗星表面后發(fā)生了彈跳和翻滾[22]； Hayabusa探測(cè)器由于飛輪故障引發(fā)的姿態(tài)偏差導(dǎo)致LRF測(cè)量失準(zhǔn)。之后在首次附著嘗試中，接近小天體表面時(shí)障礙探測(cè)系統(tǒng)報(bào)警，探測(cè)器卻由于姿態(tài)偏差無(wú)法執(zhí)行緊急上升程序，導(dǎo)致其在小天體表面發(fā)生了反復(fù)碰撞與彈跳，未能按計(jì)劃執(zhí)行采樣[16]。這些意外狀況的發(fā)生暴露了當(dāng)前探測(cè)器自主性弱、環(huán)境感知與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力不足、制導(dǎo)與控制精度低、對(duì)突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和系統(tǒng)故障應(yīng)對(duì)不充分等多重技術(shù)問(wèn)題，凸顯了以風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)和自主應(yīng)急策略為核心的主動(dòng)附著技術(shù)的重要性。

3 小天體主動(dòng)附著關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展

針對(duì)已實(shí)施任務(wù)在主動(dòng)附著技術(shù)上存在的不足，為確保探測(cè)器附著過(guò)程的安全、穩(wěn)健，提高附著任務(wù)成功率，研究人員多年來(lái)對(duì)小天體主動(dòng)附著技術(shù)開展了一系列研究。以下分別從環(huán)境準(zhǔn)確感知、附著軌跡快速規(guī)劃與精確制導(dǎo)以及風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避控制策略三個(gè)方面對(duì)主動(dòng)附著相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行回顧。

3.1 主動(dòng)附著環(huán)境感知技術(shù)

準(zhǔn)確的環(huán)境感知是安全附著的先決條件。當(dāng)前，小天體附著外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)以危險(xiǎn)地形的檢測(cè)與識(shí)別為主。探測(cè)器在接近小天體表面的過(guò)程中一般依靠有源傳感器和無(wú)源傳感器，結(jié)合自身狀態(tài)和地形環(huán)境的估計(jì)結(jié)果，展開障礙檢測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)分析，其工作原理分類如表1所示。有源傳感器包括LRF和LIDAR。目前NASA正在推進(jìn)自主著陸障礙規(guī)避技術(shù)(Autonomous landing and hazard avoidance technology, ALHAT)計(jì)劃[23]，在此框架下，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了自主地形障礙檢測(cè)算法，該算法將探測(cè)器形狀、姿態(tài)與LIDAR地形圖的障礙、斜坡等信息相結(jié)合，并綜合考慮導(dǎo)航和地形檢測(cè)誤差，快速標(biāo)示出安全性高的附著區(qū)域[24-25]。然而有源傳感器相關(guān)設(shè)備質(zhì)量大、成本高、應(yīng)用條件苛刻，僅適用于探測(cè)器距離小天體表面足夠近、運(yùn)動(dòng)幅度較小、姿態(tài)較為穩(wěn)定的情況。另一方面，以光學(xué)相機(jī)為代表的無(wú)源傳感器則在體積、質(zhì)量、成本和應(yīng)用范圍上優(yōu)于有源傳感器[26]。不同于LRF和LIDAR可以直接測(cè)量小天體表面高程信息，光學(xué)相機(jī)地形檢測(cè)需要先根據(jù)實(shí)拍圖像計(jì)算高程圖，再根據(jù)高程圖得到坡度、粗糙度、巖石障礙分布等信息，常用算法包括立體視覺(Stereo vision, SV)、運(yùn)動(dòng)立體視覺(Stereo from motion, SFM)和陰影構(gòu)型(Shape from shading, SFS)三種，其工作原理如圖2所示。Woicke等[27-29]應(yīng)用這三種算法對(duì)小天體附著場(chǎng)景進(jìn)行了仿真與效果對(duì)比，并發(fā)現(xiàn)在合適的場(chǎng)景下，三種算法對(duì)危險(xiǎn)地形的漏判率都較低，SFS更適合在數(shù)百米至數(shù)公里的高度應(yīng)用，而SFM和SV則更適合在數(shù)十米的高度下發(fā)現(xiàn)凸起巖石障礙。

圖2 SV、SFM、SFS算法原理示意圖[28]Fig.2 Working principles of SV, SFM, and SFS[28]

表1 附著區(qū)域障礙檢測(cè)原理分類Table 1 Landing area hazard detection principles

基于有源和無(wú)源傳感器的地形障礙檢測(cè)算法普遍以坡度平緩和粗糙度低作為安全附著區(qū)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，忽略了實(shí)際任務(wù)需求、探測(cè)器導(dǎo)航誤差和附著燃耗、推力上限等約束。例如隕石坑內(nèi)部的平坦區(qū)域，雖滿足安全附著條件但限制了探測(cè)器在表面的進(jìn)一步移動(dòng)。Wei等[30]在表面粗糙度檢測(cè)算法中加入了對(duì)類似隕石坑的封閉區(qū)域的檢測(cè)，并將其標(biāo)記為危險(xiǎn)區(qū)。Cui等[31]設(shè)計(jì)了一種基于安全因子的最優(yōu)附著點(diǎn)選取方法，在地形安全性基礎(chǔ)上加入附著過(guò)程燃耗和附著姿態(tài)等因素，提出了“安全因子”的概念，并以此為優(yōu)化指標(biāo)對(duì)最佳附著區(qū)域進(jìn)行搜索。針對(duì)具有確定影響范圍的地形障礙，Yuan等[32]基于探測(cè)器自身狀態(tài)不確定性建立了以探測(cè)器為中心的橢球形安全區(qū)，并利用安全區(qū)與地形障礙的相對(duì)位置關(guān)系計(jì)算碰撞概率，預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)下探測(cè)器受到地形障礙影響的程度，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)避障方法。

目前，利用傳感器高程圖計(jì)算地形安全性的算法存在過(guò)度保守的問(wèn)題[28]。過(guò)于敏感的危險(xiǎn)檢測(cè)機(jī)制既限制了探測(cè)器的可達(dá)范圍，又容易導(dǎo)致探測(cè)器不必要地進(jìn)入應(yīng)急模式。另外，無(wú)源傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確度受探測(cè)器導(dǎo)航誤差影響較大，且在處理完全平坦的地形圖片時(shí)會(huì)嚴(yán)重失準(zhǔn)[29]。由于小天體表面觀測(cè)往往面臨目標(biāo)暗弱、可提取特征信息稀疏等問(wèn)題，后續(xù)研究工作應(yīng)著眼于有限觀測(cè)條件下的地形特征準(zhǔn)確估計(jì)方法，在保證對(duì)危險(xiǎn)地形漏判率足夠低的前提下降低對(duì)安全地形的誤判率。此外，還應(yīng)更多地結(jié)合探測(cè)器自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和實(shí)際工程需求，提出更加合理的安全附著區(qū)域判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 主動(dòng)附著軌跡快速生成與制導(dǎo)技術(shù)

為應(yīng)對(duì)小天體附著過(guò)程中可能遇到的多重風(fēng)險(xiǎn)，探測(cè)器需要同時(shí)具備自主快速生成安全附著軌跡的能力和有效應(yīng)對(duì)突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的高精度制導(dǎo)能力。隨著探測(cè)器接近小天體表面，環(huán)境感知和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估信息不斷更新，附著軌跡和推進(jìn)器控制序列也須隨之進(jìn)行持續(xù)的調(diào)整，應(yīng)對(duì)新出現(xiàn)的障礙或風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)展快速軌跡優(yōu)化方法和自適應(yīng)程度高的制導(dǎo)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)附著的關(guān)鍵。

3.2.1附著軌跡快速生成技術(shù)

小天體附著軌跡設(shè)計(jì)可視為給定探測(cè)器初始與末端狀態(tài)，以燃料消耗最少或時(shí)間最短為指標(biāo)，在路徑約束和控制約束下的最優(yōu)控制問(wèn)題。由于附著軌跡需要跟隨環(huán)境信息的更新不斷調(diào)整，要求優(yōu)化算法在星載機(jī)上的計(jì)算時(shí)間與附著制導(dǎo)周期的量級(jí)相當(dāng)。求解此類優(yōu)化問(wèn)題的方法主要分為直接法和間接法兩類。

直接法將連續(xù)的軌跡優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為離散參數(shù)集合的非線性規(guī)劃問(wèn)題，采用數(shù)值方法搜索最優(yōu)解，直接法的各種應(yīng)用形式如表2所示。一種經(jīng)典的離散化方法是使用多項(xiàng)式擬合附著軌跡，將多項(xiàng)式有關(guān)參數(shù)集合作為優(yōu)化對(duì)象，如Lunghi等[33]使用關(guān)于時(shí)間的最小階多項(xiàng)式描述附著軌跡，對(duì)多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行非線性最優(yōu)搜索。多項(xiàng)式形式簡(jiǎn)單，計(jì)算速度較快，但無(wú)法考慮復(fù)雜約束。袁旭等[34]采用高斯偽譜法對(duì)附著軌跡多項(xiàng)式離散插值點(diǎn)的狀態(tài)與控制量進(jìn)行非線性優(yōu)化，得到燃耗最優(yōu)軌跡，可保證滿足控制約束，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，收斂性欠佳。為解決局部最優(yōu)和收斂性差的問(wèn)題，凸優(yōu)化方法逐漸得到應(yīng)用。凸優(yōu)化首先通過(guò)約束松弛等手段將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)局部最優(yōu)的凸問(wèn)題，并將動(dòng)力學(xué)方程線性化，再對(duì)離散的控制序列進(jìn)行優(yōu)化搜索。Yang等[35]將時(shí)間最優(yōu)附著軌跡優(yōu)化問(wèn)題與最小附著誤差問(wèn)題結(jié)合，給出了時(shí)間最優(yōu)附著軌跡的凸優(yōu)化解算方法。Pinson等[36]和劉延杰等[37]則使用凸優(yōu)化技術(shù)解決了燃耗最優(yōu)附著軌跡的計(jì)算問(wèn)題。

表2 軌跡優(yōu)化直接法分類與特點(diǎn)Table 2 Classification and characteristics of trajectory optimization direct method

間接法以最小值原理為基礎(chǔ)，尋求得到最優(yōu)控制序列的解析形式，以規(guī)避直接法計(jì)算量大的缺點(diǎn)，其面臨的主要困難是協(xié)態(tài)變量初值搜索問(wèn)題，Jiang等[38]提出了一種結(jié)合啟發(fā)式質(zhì)點(diǎn)群搜索和同倫法的協(xié)態(tài)初值逼近方法，Yang等[39]使用上述方法實(shí)現(xiàn)了小天體燃耗最優(yōu)附著軌跡的解析求解。Ren等[40]則進(jìn)一步在使用同倫法的過(guò)程中加入了可靠性設(shè)計(jì)原則，得到了參數(shù)不確定條件下的燃耗最優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)方法。但已有的協(xié)態(tài)初值搜索方法仍存在收斂性差，計(jì)算效率低的問(wèn)題，限制了間接法作為一種解析方法計(jì)算速度快的優(yōu)勢(shì)。

目前尚沒有通用的方法可以同時(shí)滿足軌跡優(yōu)化最優(yōu)性和實(shí)時(shí)性的要求，具備實(shí)時(shí)性的方法則需要對(duì)問(wèn)題做簡(jiǎn)化處理，或放寬約束條件，或?qū)で蠓亲顑?yōu)解[41-42]。Dueri等[43]在部分特定的行星著陸場(chǎng)景下，從算法層面對(duì)內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行精簡(jiǎn)化處理，計(jì)算速度有明顯提高。此外還有部分最新研究工作將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到附著軌跡生成中，如Cheng等[44]使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)探測(cè)器在不規(guī)則弱引力場(chǎng)中的最優(yōu)附著控制序列進(jìn)行訓(xùn)練，雖然其用于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集來(lái)源于仿真而非實(shí)測(cè)，可靠性還需進(jìn)一步論證，但是機(jī)器學(xué)習(xí)具備的實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)，使其仍然具有廣闊的研究前景。

3.2.2精確附著在線制導(dǎo)技術(shù)

面對(duì)復(fù)雜未知的實(shí)際任務(wù)環(huán)境和多重?cái)_動(dòng)因素的影響，探測(cè)器不僅需要理想狀態(tài)下標(biāo)稱附著軌跡生成策略，還需要采用閉環(huán)制導(dǎo)方法保證附著的精度和穩(wěn)健性[7]。閉環(huán)制導(dǎo)方法可以對(duì)標(biāo)稱附著軌跡進(jìn)行跟蹤，也可以在無(wú)標(biāo)稱軌跡條件下直接求解控制序列。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，制導(dǎo)方法的實(shí)時(shí)性、精度和復(fù)雜擾動(dòng)下的穩(wěn)定性是重要的考慮因素。

早期的帶反饋附著制導(dǎo)律形式比較簡(jiǎn)單，如D’Souza[45]提出一種基于變分法的解析能量最優(yōu)附著制導(dǎo)律，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但沒有考慮路徑約束和推力上限約束，且預(yù)設(shè)任務(wù)條件比較理想，在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)環(huán)境中缺乏抗擾能力。為抑制擾動(dòng)帶來(lái)的附著誤差，Li等[46]在基于多項(xiàng)式的附著軌跡基礎(chǔ)上，使用誤差相平面最優(yōu)控制策略和PD控制對(duì)標(biāo)稱軌跡進(jìn)行跟蹤。胡海靜等[47]采用有限時(shí)間的線性二次型狀態(tài)調(diào)節(jié)器跟蹤燃耗最優(yōu)標(biāo)稱軌跡，并基于對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不確定性的估計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)性能指標(biāo)中正定陣的取值，使其可靈活調(diào)節(jié)擾動(dòng)抑制的強(qiáng)度。Li等[48]利用小天體附近的姿態(tài)-軌道耦合運(yùn)動(dòng)特征，設(shè)計(jì)了一種僅靠姿態(tài)控制就可以完成標(biāo)稱軌跡跟蹤的制導(dǎo)方案，使得探測(cè)器在推進(jìn)系統(tǒng)故障的情況下仍可以完成附著，顯著提高了任務(wù)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。另外，還有部分最優(yōu)制導(dǎo)律無(wú)需跟蹤標(biāo)稱軌跡，如Hawkins和Guo等[49-50]提出使用零控誤差/零控速度(Zero effort miss/Zero effort velocity, ZEM/ZEV)指標(biāo)設(shè)計(jì)反饋能量最優(yōu)制導(dǎo)律，高艾等[51]將自主導(dǎo)航誤差引入反饋制導(dǎo)律的優(yōu)化項(xiàng)中，抑制了導(dǎo)航誤差對(duì)制導(dǎo)精度的影響。

滑?？刂朴捎谄涑錾娜址€(wěn)定特性也被廣泛用于小天體附著制導(dǎo)研究中。Huang等[52]使用變結(jié)構(gòu)滑模控制實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)稱最優(yōu)軌跡的跟蹤。Furfaro等[53]和袁旭等[54]使用多滑模面的高階滑模控制設(shè)計(jì)了無(wú)標(biāo)稱軌跡的反饋制導(dǎo)律，靈活度較高，可以應(yīng)對(duì)目標(biāo)附著點(diǎn)的臨時(shí)更換等復(fù)雜情況，具有很好的實(shí)時(shí)性。模型預(yù)測(cè)控制由于對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)不確定性具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，也在小天體附著制導(dǎo)領(lǐng)域受到關(guān)注。Carson等[55]利用模型預(yù)測(cè)控制方法對(duì)小天體附近的軌跡路徑點(diǎn)生成與跟蹤性能進(jìn)行了研究。Alandihallaj和Assadian[56]提出了一種“多視野多模型”的預(yù)測(cè)控制方法，用于跟蹤預(yù)測(cè)生成的路徑，在保證附著精度和控制穩(wěn)定性的同時(shí)減小了計(jì)算量，有利于在線實(shí)施。

目前提出的附著反饋制導(dǎo)方法，理論上在快速性、精確性和穩(wěn)定性上均能滿足探測(cè)器星上自主運(yùn)行要求，其中無(wú)標(biāo)稱軌跡的方法形式更為簡(jiǎn)潔，實(shí)時(shí)性占優(yōu)，跟蹤標(biāo)稱軌跡的方法在燃耗、時(shí)間的最優(yōu)性上表現(xiàn)更好。將上述技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)在于參數(shù)調(diào)節(jié)的困難性。附著軌跡的性能對(duì)最優(yōu)制導(dǎo)律中優(yōu)化指標(biāo)的權(quán)重分配、PD控制器比例微分項(xiàng)的取值、狀態(tài)調(diào)節(jié)器中QR矩陣的變化等因素都比較敏感，而不同小天體環(huán)境差異大，在線調(diào)參試錯(cuò)空間小，未來(lái)需要對(duì)各種制導(dǎo)方法的參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行更加深入的研究。

3.3 主動(dòng)附著自主避險(xiǎn)控制技術(shù)

探測(cè)器在即將接觸小天體表面時(shí)，可能遭遇多種形式的突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，如探測(cè)器部分硬件突發(fā)故障，或自身下降速度超出預(yù)期，或下方表面存在預(yù)料之外的小尺寸巖石、溝壑，或由于控制偏差意外接近丘陵、山谷等特殊地形等。上述因素容易導(dǎo)致探測(cè)器在接觸表面后發(fā)生傾覆、彈跳甚至墜毀。因此，探測(cè)器需要具備一套反應(yīng)靈敏、適應(yīng)性強(qiáng)的用于緊急避險(xiǎn)的安全控制策略，確保附著順利進(jìn)行。

在探測(cè)器附著過(guò)程中對(duì)突發(fā)故障的診斷與分析問(wèn)題上，探測(cè)器故障檢測(cè)、隔離與恢復(fù)系統(tǒng)(FDIR)的自主化是重要的研究方向之一。針對(duì)小天體附著任務(wù)，故障診斷和應(yīng)對(duì)難以依賴地面測(cè)控的輔助，目前已有較成熟的借助星上多傳感器交叉驗(yàn)證和高效投票機(jī)制的故障診斷方法，而應(yīng)對(duì)硬件故障則主要采用重要設(shè)備冗余配置[57]。最新的自主FDIR系統(tǒng)可以保證探測(cè)器不因?yàn)槿魏我惶帾?dú)立故障而徹底失效[58]。同時(shí)，相關(guān)魯棒控制系統(tǒng)的研究也使得探測(cè)器在部分控制器無(wú)法工作的情況下仍然能夠完成附著任務(wù)的軌跡與姿態(tài)控制工作[48]。

面對(duì)附著過(guò)程中的地形障礙，使用軌跡形狀約束或采用勢(shì)函數(shù)法等設(shè)立禁飛區(qū)，是一種經(jīng)典的避險(xiǎn)策略設(shè)計(jì)思想。其中最直接的方法是在軌跡優(yōu)化制導(dǎo)的過(guò)程中加入錐形約束，將附著軌跡控制在以著陸點(diǎn)為頂點(diǎn)的錐形范圍內(nèi)[33]。Cui等[59]提出了“凸軌跡曲率控制”的思想，在解析能量最優(yōu)制導(dǎo)律[45]的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整推力輸出，使著陸軌跡在軌跡平面上始終保持負(fù)曲率狀態(tài)，減小與地形障礙碰撞的概率，其設(shè)計(jì)思想如圖3所示。

圖3 負(fù)曲率軌跡避障原理示意圖[59]Fig.3 Hazard avoidance principle of a negative-curvature trajectory[59]

上述方法形式簡(jiǎn)潔，實(shí)用性很強(qiáng)，但尚未具備根據(jù)實(shí)際地形狀況修正軌跡形狀的能力。為了使避障控制具備更強(qiáng)的靈活性，Long等[60]根據(jù)地形變化情況調(diào)整能量最優(yōu)制導(dǎo)律優(yōu)化指標(biāo)中的時(shí)間控制項(xiàng)，確保附著軌跡與小天體表面的相對(duì)高度始終不為負(fù)，以避免碰撞。胡海靜等[61]將探測(cè)器當(dāng)前狀態(tài)和實(shí)時(shí)檢測(cè)危險(xiǎn)地形勢(shì)函數(shù)相結(jié)合構(gòu)造Lyapunov函數(shù)，設(shè)計(jì)了附著避障姿軌控制方法，該方法為解析形式，計(jì)算效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。Lee等[62]設(shè)計(jì)了探測(cè)器與地形障礙碰撞的罰函數(shù)，并將其應(yīng)用到最優(yōu)控制序列的計(jì)算中。Yuan等[32]則通過(guò)地形障礙和探測(cè)器自身運(yùn)動(dòng)的不確定性范圍共同劃定禁飛區(qū)域，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原理如圖4所示。此外，模型預(yù)測(cè)控制也可以應(yīng)用于設(shè)計(jì)障礙規(guī)避方法，Reynolds等[63]以及Ge等[64]均進(jìn)行過(guò)針對(duì)該領(lǐng)域的研究。

圖4 誤差橢球法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原理[32]Fig.4 Risk assessment principle of error ellipsoid method[32]

在已實(shí)施的小天體附著任務(wù)中，設(shè)計(jì)一種應(yīng)急安全模式，使探測(cè)器在意外情況發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)移到可較長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的安全軌道上，是常用的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略。然而這種單一的應(yīng)急模式難以防范復(fù)雜多變的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，例如Hayabusa探測(cè)器遇到障礙報(bào)警時(shí)由于姿態(tài)約束不滿足而無(wú)法執(zhí)行緊急中止程序[16]。為探索更靈活的應(yīng)急模式設(shè)計(jì)，相關(guān)研究著眼于在探測(cè)器處于危險(xiǎn)場(chǎng)景時(shí)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)多樣化的軌道機(jī)動(dòng)策略。Cui等[8]基于凸優(yōu)化軌跡控制策略和小天體表面彈跳機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種著陸位置轉(zhuǎn)移策略，如果探測(cè)器一次附著后發(fā)生彈跳，應(yīng)急控制策略將抑制探測(cè)器逃逸，并快速選取新的附著點(diǎn)和計(jì)算新的附著軌跡。此外，Cui等[65]還針對(duì)附著風(fēng)險(xiǎn)的不同等級(jí)設(shè)計(jì)了三種應(yīng)急控制模式，探測(cè)器可在附著過(guò)程中根據(jù)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)確定進(jìn)入相應(yīng)的安全狀態(tài)，并實(shí)時(shí)規(guī)劃轉(zhuǎn)移軌跡。目前，針對(duì)緊急避險(xiǎn)的軌道轉(zhuǎn)移策略研究還處于起步階段，尚未考慮任務(wù)模式切換時(shí)的姿態(tài)約束、探測(cè)器高度極低狀態(tài)下水平方向的障礙檢測(cè)與規(guī)避等問(wèn)題，需要將動(dòng)力學(xué)與控制研究和先進(jìn)的探測(cè)器任務(wù)規(guī)劃方法相結(jié)合，提高安全策略的可操作性。

4 結(jié)束語(yǔ)

小天體附著探測(cè)面臨未知環(huán)境、多源擾動(dòng)和復(fù)雜地形障礙等多重安全風(fēng)險(xiǎn)，提高風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)防范能力對(duì)于未來(lái)實(shí)施更加復(fù)雜的附著任務(wù)具有重要意義。為構(gòu)建探測(cè)器主動(dòng)附著技術(shù)體系、改善附著任務(wù)安全性，需要從提高環(huán)境感知能力、軌跡快速規(guī)劃與穩(wěn)健制導(dǎo)能力、應(yīng)急避險(xiǎn)控制能力三類關(guān)鍵技術(shù)開展研究，其中以下幾個(gè)方面問(wèn)題值得進(jìn)一步研究探討：

1) 欠觀測(cè)條件下地形特征精確估計(jì)問(wèn)題。小天體表面特征的觀測(cè)與識(shí)別受光照條件、探測(cè)器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、傳感器特性等因素影響較大，在環(huán)境暗弱、特征信息稀疏的情況下識(shí)別準(zhǔn)確率有待提高，應(yīng)在多種測(cè)量信息融合估計(jì)和環(huán)境智能感知技術(shù)上進(jìn)行深入研究。

2) 表面地形安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。當(dāng)前對(duì)于小天體地形安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)繼承于月球、火星著陸的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，而小天體表面情況更為復(fù)雜，需要額外考慮附著區(qū)域引力方向、逃逸速度等動(dòng)力學(xué)特性，以及進(jìn)一步開展采樣或移動(dòng)勘察等活動(dòng)的便利性。

3)制導(dǎo)控制參數(shù)自主調(diào)節(jié)問(wèn)題?？刂茀?shù)對(duì)附著控制的穩(wěn)定性和精確性影響顯著，需要根據(jù)小天體附近動(dòng)力學(xué)環(huán)境與探測(cè)器自身的狀態(tài)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。閉環(huán)制導(dǎo)與魯棒控制方法應(yīng)該與高效的環(huán)境參數(shù)辨識(shí)技術(shù)相結(jié)合，提高自適應(yīng)程度。

4)小天體表面運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與控制問(wèn)題。探測(cè)器避險(xiǎn)控制策略涉及探測(cè)器在小天體表面彈跳與低空緊急制動(dòng)與安全轉(zhuǎn)移等情形，需要對(duì)接觸與彈跳動(dòng)力學(xué)機(jī)制和水平方向障礙檢測(cè)與規(guī)避問(wèn)題進(jìn)行深入分析。

5)探測(cè)器附著機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題。主動(dòng)附著制導(dǎo)與控制技術(shù)創(chuàng)新研究應(yīng)該與探測(cè)器附著機(jī)構(gòu)的物理特性相適應(yīng)，同時(shí)也可以從創(chuàng)新附著機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度入手提高附著控制的穩(wěn)定性，例如采用柔性附著機(jī)構(gòu)，以抑制彈跳和傾覆現(xiàn)象。最終形成一套從硬件到軟件的完整主動(dòng)附著技術(shù)體系。