小行星動能撞擊自主導(dǎo)航與制導(dǎo)方法研究

黃翔宇，徐 超，胡榮海，郭敏文

（1.北京控制工程研究所，北京 100094；2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

引言

太陽系中存在著大量的小天體，距離地球較近的小天體可能撞擊地球，從而引發(fā)巨大的災(zāi)難。自20世紀(jì)90年代以來，近地天體撞擊地球的潛在威脅受到了關(guān)注，各國開始實(shí)施小行星防御活動。在近地小行星撞擊防御方面，提出了核爆、動能撞擊、引力拖車等多種技術(shù)方案[1]。其中動能撞擊是最為成熟的技術(shù)手段。由美國實(shí)施的“雙小行星重定向測試”（Double Asteroid Redirection Test，DART）任務(wù)，以撞擊雙小行星系統(tǒng)中的一顆小行星，目前正在開展小行星動能撞擊在軌技術(shù)驗(yàn)證[2]。在“十四五”期間，基于深空探測工程基礎(chǔ)，中國也將論證實(shí)施近地小行星動能撞擊在軌處置技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)。

與以往小行星探測任務(wù)不同的是，小行星撞擊任務(wù)是通過相對速度很大的撞擊器直接撞擊小行星以改變小行星的動量，其一般只適用于小尺寸的小行星防御[3]，DART任務(wù)目標(biāo)小行星直徑160 m，其對撞擊精度要求極高，且在撞擊段可用的小行星測量手段有限，一般僅有光學(xué)相機(jī)?；诠鈱W(xué)圖像的小行星探測自主導(dǎo)航方法一般可分為基于小行星中心視線測量和基于小行星表面陸標(biāo)圖像測量的方法。Chavez等[4-5]給出了基于光學(xué)陸標(biāo)圖像的小行星探測自主導(dǎo)航方法，但該方法只適用于距離小行星較近時(shí)的導(dǎo)航任務(wù)；采用小行星中心視線測量的自主導(dǎo)航方法由于缺少距離測量信息，通常需要輔以其他測量才能實(shí)現(xiàn)探測器狀態(tài)的完全可觀。Kubotaa等[6]給出了小行星中心視線測量結(jié)合測距信息的接近段自主導(dǎo)航方法；Takao等[7]給出了小行星尺寸信息輔助中心視線測量的導(dǎo)航方法；Jia等[8-9]給出了探測器間距離測量輔助的小行星接近段自主導(dǎo)航方法。這些方法均針對小行星抵近探測任務(wù)，其特點(diǎn)是利用光學(xué)相機(jī)得到的視線測量結(jié)合其他敏感器測量以視線探測器相對小行星位置和速度的完全估計(jì)。小行星撞擊任務(wù)，由于相對速度可達(dá)10 km/s，采用測距敏感器獲取距離測量信息的方法并不適用，主要是受限于測距敏感器的測量范圍有限，可獲取測距信息的次數(shù)極少，而且由于撞擊任務(wù)中小行星尺寸小，在較遠(yuǎn)距離時(shí)要想獲得距離測量需要保證極高的測距指向精度，工程實(shí)現(xiàn)難度大。同樣小行星尺寸小，在撞擊段的大部分時(shí)間里小行星在圖像中均為點(diǎn)目標(biāo)，而且通常缺少小行星精確的尺寸信息，利用小行星尺寸信息輔助的方法進(jìn)行相對導(dǎo)航對小行星撞擊任務(wù)也意義不大。對于采用探測器間距離測量輔助的方法需要同時(shí)發(fā)射多個探測器才能實(shí)施，并不是一個通用的方法，本文中并不考慮該方法。對于小行星撞擊任務(wù)，本文提出僅利用小行星中心視線測量進(jìn)行相對導(dǎo)航，將撞擊器相對小行星的位置和速度中不可觀方向進(jìn)行分離，利用其可精確估計(jì)的位置和速度分量即可保證撞擊精度，基于該方案撞擊器以10 km/s的相對速度實(shí)現(xiàn)了50 m級近地小行星10 m級的撞擊精度。

1 小行星撞擊段GNC任務(wù)分析與方案設(shè)計(jì)

小行星撞擊段定義為距小行星3萬km～ 0 m的任務(wù)飛行段。針對50 m級近地小行星10 m級精度撞擊任務(wù)，小行星動能撞擊器在撞擊段的自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制（Guidance Navigation &Control，GNC）系統(tǒng)需要具備的功能要求：高精度的小行星觀測、成像和中心提取、高精度的相對導(dǎo)航以及制導(dǎo)與控制。

考慮遠(yuǎn)距離50 m級小行星觀測的需求，選擇窄視場相機(jī)、星敏和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）作為撞擊段的主要導(dǎo)航敏感器，其中窄視場相機(jī)需具備在3萬km探測視15等星的能力，星敏提供撞擊器的姿態(tài)基準(zhǔn)，IMU在軌道機(jī)動時(shí)提供角速度和加速度測量。

對于小行星撞擊段，窄視場相機(jī)測量的小行星中心視線方向是唯一可用的相對于小行星的測量。針對高精度小行星中心視線測量的需求，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)距離暗弱目標(biāo)圖像處理和提取方法以及圖像面目標(biāo)高精度中心提取方法，實(shí)現(xiàn)了小行星中心視線優(yōu)于3角秒的提取精度。針對撞擊段高精度自主相對導(dǎo)航的需求，設(shè)計(jì)了一種基于小行星中心視線測量的不完全可觀相對自主導(dǎo)航方法，可觀性分析表明該方法可對垂直于視線方向的相對位置和速度進(jìn)行精確估計(jì)，從而可滿足精確撞擊制導(dǎo)任務(wù)需求。

在基于小行星中心視線的自主相對導(dǎo)航基礎(chǔ)上給出一種迭代預(yù)測制導(dǎo)方法。考慮到在撞擊段開始后需要盡快消除初始的速度偏差，以及為減小最后一次軌道修正所需的速度增量，在最后一次軌道修正前還應(yīng)增加一次軌道修正，因此方案選擇進(jìn)行3次軌道修正。綜合考慮軌道修正執(zhí)行所需時(shí)間約束以及總的速度增量大小約束，方案設(shè)計(jì)分別在距小行星24 000、6 000、300 km處進(jìn)行軌道修正，撞擊目標(biāo)位置設(shè)為視線方向與小行星表面交點(diǎn)處，最終實(shí)現(xiàn)10 m級的撞擊精度。

2 小行星撞擊段自主導(dǎo)航

2.1 小行星中心提取算法

圖像處理在小天體動能撞擊任務(wù)中具有非常重要的作用，是視覺導(dǎo)航的前提，其處理結(jié)果直接影響撞擊器的狀態(tài)估計(jì)及后續(xù)的軌道機(jī)動。然而，從首次捕獲小天體的視覺圖像到高速接近并對其進(jìn)行撞擊的整個過程當(dāng)中，目標(biāo)在導(dǎo)航相機(jī)中的像素面積、亮度大小和細(xì)節(jié)信息的豐富程度存在巨大的差異，故需要分別使用不同的圖像處理技術(shù)來獲取對應(yīng)的導(dǎo)航信息，撞擊器與小行星相距2 000～300 km的情況下，直徑50 m的小行星在導(dǎo)航相機(jī)（視場角：1°，成像像元陣的大小：2 048 × 2 048）中的圖像，如圖1所示。

圖1 不同距離下，導(dǎo)航相機(jī)拍攝的小行星圖像Fig.1 Asteroid images captured by navigation camera at different distances

當(dāng)小天體與撞擊器距離較遠(yuǎn)（大于1 000 km）時(shí)，其在圖像中表現(xiàn)為點(diǎn)目標(biāo)，約占幾個像素。此時(shí)，通過提取目標(biāo)在圖像中的一階矩（即亮度中心）來粗略估計(jì)其中心的視線方向，然后通過解析函數(shù)擬合法估計(jì)其像素坐標(biāo)。當(dāng)撞擊器不斷接近小天體，小天體在圖像中逐漸由點(diǎn)目標(biāo)拓展為面目標(biāo)（相對距離小于1 000 km，撞擊前100 s以內(nèi)）。值得注意的是，受太陽相位角（太陽-目標(biāo)小行星-導(dǎo)航相機(jī)之間的角度）的影響，小行星在圖像中的亮度分布將隨著其自旋而發(fā)生周期性的變化，且相對距離越近，這種特性越明顯。此時(shí)，通過計(jì)算目標(biāo)在圖像中的一階矩來估計(jì)其中心將會造成較大誤差，需要采用相位角修正。

令導(dǎo)航相機(jī)在k時(shí)刻觀測到的圖像為Ik。首先，利用中值濾波器去除圖像Ik中散點(diǎn)噪聲。然后，設(shè)置亮度閾值T以分割I(lǐng)k中的目標(biāo)小行星，得到二值圖像Bk為

則圖像Bk中非零元素所構(gòu)成的集合Tk即為目標(biāo)的像素區(qū)域，計(jì)算Tk在圖像Bk中的一階矩M以粗略地估計(jì)目標(biāo)的中心[10]

其中：∑Tk表示計(jì)算Tk中元素的個數(shù)；分別表示Tk中第i個元素在目標(biāo)二值圖像Bk中的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)。

當(dāng)目標(biāo)在圖像中為幾個像素大小的點(diǎn)目標(biāo)時(shí)，利用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）做進(jìn)一步處理，對其亮度進(jìn)行建模，并通過迭代的方法計(jì)算精度更高的目標(biāo)中心。PSF取二維的高斯函數(shù)[11-12]

其中：s為亮度比例因子；[x0y0]為G（x，y）的峰值坐標(biāo)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；b為背景亮度（pixels）。定義x=[s x0y0σb]T為待求參數(shù)。

令圖像Ik中坐標(biāo)為[u v]的點(diǎn)所對應(yīng)的像素亮度為I(u,v)，即觀測量。而通過在一個像素寬度內(nèi)對式（3）積分可以估計(jì)出圖像中坐標(biāo)為[u v]的像素點(diǎn)所對應(yīng)的亮度值

則觀測殘差（代價(jià)函數(shù)）為

推導(dǎo)e（u，v）相對于待求參數(shù)x的偏導(dǎo)數(shù)，可以得到其雅可比矩陣，然后通過最優(yōu)化方法進(jìn)行迭代求解。

為確定優(yōu)化過程的初值，令x0=mx，y0=my，b為Ik中非目標(biāo)區(qū)域的平均亮度值，s和σ由Tk的等效半徑及M處的亮度值共同確定。

當(dāng)小行星在圖像中擴(kuò)展為面目標(biāo)且仍無法提取出清晰的輪廓時(shí)，解析函數(shù)擬合法將不再適用。同時(shí)，由于太陽相位角的影響，目標(biāo)在圖像中的一階矩與其真實(shí)的質(zhì)心位置存在很大的偏差，需要對一階矩進(jìn)行修正。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，對于太陽相位角α以及Tk的等效半徑R，偏移因子γ可通過下式計(jì)算得到

須指出，式（6）適用于球形天體。然而，當(dāng)不規(guī)則的小行星在距離較遠(yuǎn)的時(shí)候，仍然可用于修正其亮度中心。修正后的坐標(biāo)如下

其中：θ為太陽光在圖像平面內(nèi)的投影與圖像x軸之間的夾角。

2.2 基于小行星中心視線的自主相對導(dǎo)航方法

在日心J2000慣性系下建立小行星的動力學(xué)方程為

其中：rA和vA分別表示小行星在日心J2000慣性系下的位置和速度；μs和μE分別表示太陽引力常數(shù)和地球引力常數(shù)；rE為地球在日心J2000慣性系下的位置；rA=‖rA‖，rE=‖rE‖；nA表示小行星動力學(xué)模型誤差項(xiàng)，假設(shè)為高斯白噪聲。本文小行星選為近地小行星，動力學(xué)模型只考慮太陽引力和地球引力攝動項(xiàng)影響，不考慮其他天體攝動及太陽光壓等的影響。對于小行星動能撞擊段來說，撞擊器相對小行星速度快，撞擊段持續(xù)時(shí)間短，因此上述假設(shè)是合理的。

在日心J2000慣性系下建立撞擊器的動力學(xué)方程為

其中：rsc和vsc分別表示撞擊器在日心J2000慣性系下的位置和速度，rsc=‖rsc‖；aSRP表示太陽光壓引起的加速度；假設(shè)撞擊器飛行過程中采用速度脈沖的形式進(jìn)行軌道修正，對應(yīng)加速度建模為狄拉克函數(shù)形式Δviδ(t-τi)[14]，Δvi為第i次軌道修正的速度增量，τi為第i次軌道修正的時(shí)間；nsc表示撞擊器動力學(xué)模型誤差項(xiàng)，假設(shè)為高斯白噪聲。

對于小行星動能撞擊任務(wù)來說，由于撞擊段時(shí)間持續(xù)短（小于1 h），撞擊器近似直線飛向小行星，因此為簡化星上計(jì)算過程，導(dǎo)航系統(tǒng)中撞擊器相對于小行星的動力學(xué)方程可近似描述為

其中：rscA和vscA分別表示撞擊器在小行星J2000慣性系下的位置和速度。

在撞擊器動能撞擊飛行過程中利用2.1節(jié)中方法可提取小行星中心在像平面的位置（uc，vc），建立的觀測模型為

其中：f為相機(jī)焦距。

其中：CCI為J2000慣性系到相機(jī)系的轉(zhuǎn)換陣，其可通過星敏感器及相機(jī)安裝等確定。

將式（10）給出的相對動力學(xué)方程作為導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程，將式（11）給出的小行星中心視線測量作為導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測方程，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）導(dǎo)航濾波方法即可對撞擊器狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。

2.3 可觀性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可得到基于小行星視線矢量導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測矩陣

式中：Hk和Φk,1分別為觀測陣和誤差狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣。

其中：rscA1和vscA1分別為時(shí)刻撞擊器在小行星J2000慣性系下的位置和速度。由式(16)可知MkN=02k×1，即為系統(tǒng)的不可觀方向。

當(dāng)k=2時(shí)

由式（1 4）可知Hc1和Hc2的秩均為2，即rank（Hc1）=rank（Hc2）=2，可得rank（M2）=4，則可觀測矩陣M2零空間的維數(shù)為2，即對于兩次觀測情況下導(dǎo)航系統(tǒng)存在兩個不可觀方向[16]。由式(16)可知為 零空間的一組基底。令易知M2N2=04×1，顯然N1，N2線性無關(guān)，故M2零空間可由N1，N2擴(kuò)張而成，即對于兩次觀測情況下導(dǎo)航系統(tǒng)的兩個不可觀方向分別為N1，N2。

綜上可知基于小行星視線矢量導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)速度方向與相對小行星位置方向不一致時(shí)有且僅有一個不可觀方向，即初始位置和速度不可觀；當(dāng)速度方向與位置方向一致時(shí)存在兩個不可觀方向，即小行星視線方向的位置和速度不可觀。對于小行星動能撞擊任務(wù)的撞擊段來說，基于小行星視線矢量導(dǎo)航系統(tǒng)撞擊器視線方向的位置和速度不可觀。需要注意的是，對于撞擊任務(wù)首先需要保證的是成功撞擊到小行星預(yù)定位置，因此只要垂直于視線方向的位置和速度可觀即可滿足撞擊任務(wù)控制需求，在撞擊段自主導(dǎo)航過程中也只需利用小行星視線測量對垂直于視線方向的位置和速度進(jìn)行導(dǎo)航修正。

3 小行星撞擊段自主制導(dǎo)

設(shè)t時(shí)刻由光學(xué)相機(jī)測量得到小行星中心在相平面的位置為（ucAt,vcAt），則在小行星J2000慣性系下撞擊器到小行星中心的視線矢量lAt可表示為

其中：R為小行星半徑，本文中取25 m。設(shè)t時(shí)刻導(dǎo)航估計(jì)的撞擊器在日心J2000慣性系下的位置和速度分別為估計(jì)的小行星位置和速度分別為則預(yù)測飛行時(shí)間可計(jì)算為

利用迭代制導(dǎo)計(jì)算t時(shí)刻軌道修正的速度增量Δvt為

利用式（20）通過多次迭代即可得到滿足撞擊精度要求的軌道修正速度增量。

一般來說，制導(dǎo)控制的目標(biāo)為精確的撞擊位置及撞擊時(shí)間，而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要導(dǎo)航系統(tǒng)能夠精確給出撞擊器的位置估計(jì)，考慮到小行星撞擊段撞擊器近似沿視線方向飛向小行星，在本節(jié)的制導(dǎo)方法中垂直于視線方向上的位置和速度估計(jì)決定了撞擊的位置控制精度，沿視線方向上的位置和速度估計(jì)則決定了撞擊時(shí)間的控制精度。由可觀性分析結(jié)果可知，基于視線矢量的小行星撞擊段自主相對導(dǎo)航系統(tǒng)，垂直于視線方向上的位置和速度是可被精確估計(jì)的，但沿視線方向的位置和速度不可觀，導(dǎo)航系統(tǒng)未對其進(jìn)行修正，制導(dǎo)控制過程中采用的沿視線方向上的位置和速度主要依賴先驗(yàn)信息。對于小行星撞擊任務(wù)，重點(diǎn)關(guān)注撞擊精度，而且沿視線方向也即撞擊器飛行方向可通過無線電測控等手段獲取較為精確的先驗(yàn)信息，因此利用本文提出的基于視線矢量的自主相對導(dǎo)航方法及在視線方向上位置和速度存在誤差情況下的迭代制導(dǎo)方法能夠滿足小行星撞擊任務(wù)的需求。

4 仿真校驗(yàn)

本文仿真初始數(shù)據(jù)如下：撞擊器在小行星軌道系下的初始位置[30 000 × sin20°，0，30 000 × cos20°] km，初始速度[-10 × sin20°，0.001，-10 × cos20°] km/s；小行星在日心J2000慣性系下的初始位置[-80 768 079.149，-137 382 451.608，2 507 154.394] km，初始速度[24.885 9，-12.070 2，-3.779 1] km/s；鑒于沿撞擊器飛行方向上地面定軌精度較高，設(shè)置初始導(dǎo)航誤差：垂直于視線方向上位置隨機(jī)誤差100 km（1σ）；速度隨機(jī)誤差各方向10 m/s（1σ）；沿視線方向的位置隨機(jī)誤差10 km（1σ）；速度隨機(jī)誤差各方向1m/s（1σ）；導(dǎo)航相機(jī)視場1°；圖像分辨率2 048 × 2 048；軌道修正速度增量控制方向誤差0.55°（3σ），大小誤差3%。

在撞擊器接近小行星的過程當(dāng)中，不同距離下目標(biāo)中心的部分提取結(jié)果如圖2所示，目標(biāo)中心提取的測量誤差如圖3所示。

圖2 不同距離下，目標(biāo)小行星的中心提取結(jié)果Fig.2 Extracted centers of target asteroid under different distances

圖3 不同距離下，目標(biāo)小行星的中心提取誤差Fig.3 Measurement errors of target center under different distances

當(dāng)撞擊器與小行星距離較遠(yuǎn)時(shí)（30 000～1 500 km），中心測量誤差較?。?.2 pixels）并周期性地變化；因?yàn)樾⌒行堑男螤畈灰?guī)則，同時(shí)存在自旋現(xiàn)象，導(dǎo)致其在圖像當(dāng)中的形狀產(chǎn)生周期性變化，結(jié)果如圖2（b）與圖2（c）所示?；谠摲桨缸矒羝饕?0 km/s的相對速度實(shí)現(xiàn)了50 m級近地小行星10 m級的撞擊精度。也會周期性地影響中心測量結(jié)果。隨著相對距離的降低（1 500～300 km），u方向的像素測量噪聲有增大的趨勢；因?yàn)榇藭r(shí)小行星在圖像當(dāng)中逐漸擴(kuò)展為面目標(biāo)，中心提取結(jié)果受太陽相位角的影響越來越大。末端（300 km）的中心提取誤差為[0.446，0.073] pixels。

撞擊段撞擊器到小行星中心的距離變化曲線如圖4所示?；谛⌒行且暰€測量的自主導(dǎo)航撞擊器相對與小行星位置和速度估計(jì)誤差在視線坐標(biāo)系下的表示如圖5和圖6所示。其中視線坐標(biāo)系定義：以式(17)中的lAt為視線坐標(biāo)系zLOS軸指向，任取不平行于lAt的方向m，本文中取m=則視線坐標(biāo)系yLOS=lAt×m，根據(jù)右手準(zhǔn)則可得視線坐標(biāo)系xLOS軸。

圖4 撞擊段撞擊器到小行星距離Fig.4 Distance between impactor and asteroid during impact phase the impact phase

由圖5和圖6可知基于小行星視線測量的自主導(dǎo)航方法能夠準(zhǔn)確估計(jì)垂直與視線方向的位置和速度，對于沿視線方向上的位置和速度導(dǎo)航過程中未作修正。撞擊器相對于小行星的位置和速度估計(jì)誤差在J2000慣性系下表示的對比結(jié)果如圖7和圖8所示，由于受到視線方向位置誤差的影響，在J2000慣性系下撞擊器相對于小行星的三軸位置和速度估計(jì)均不準(zhǔn)確。

圖5 視線坐標(biāo)系下撞擊器相對于小行星的位置估計(jì)誤差Fig.5 Estimation error of relative position between impactor and asteroid in LOS frame

圖6 視線坐標(biāo)系下撞擊器相對于小行星的速度估計(jì)誤差Fig.6 Estimation error of relative velocity between impactor and asteroid in LOS frame

圖7 J2000慣性系下撞擊器相對于小行星位置估計(jì)誤差Fig.7 Estimation error of relative position between impactor and asteroid in J2000 inertial frame

圖8 J2000慣性系下撞擊器相對于小行星速度估計(jì)誤差Fig.8 Estimation error of relative velocity between the impactor and the asteroid in J2000 inertial frame

根據(jù)本文給出的方案，在小行星撞擊段分別在距小行星24 000、6 000和300 km處進(jìn)行3次軌道修正，每次軌道修正的速度增量如圖9所示，3次軌道修正的速度增量分別為1.21、0.23和1.48 m/s。在撞擊段飛行過程中撞擊器相對于小行星的速度方向與相對位置方向夾角如圖10所示。

從圖9和圖10可知：軌道修正后相對速度與相對位置方向夾角均被修正到小于5×10-4°，且距小行星越近時(shí)撞擊器相對于小行星的位置和速度方向夾角增大速率越快。因此，最終的撞擊精度由最后一次軌道修正決定，但在最后一次軌道修正前，尤其是在距離小行星較近時(shí)增加軌道修正頻次，可以極大減少軌道修正所需的速度增量。

圖9 在J2000慣性系下撞擊器軌道修正速度增量Fig.9 Velocity increment shown in J2000 inertial frame for impactor’s orbit corrections

圖10 撞擊器相對于小行星的速度方向與位置方向夾角Fig.10 Angle between relative position and relative velocity between impactor and asteroid

垂直于視線方向的撞擊器相對位置估計(jì)誤差500次打靶仿真結(jié)果如圖11～13所示。其中在視線坐標(biāo)系下垂直于視線方向上撞擊器相對位置和速度估計(jì)誤差隨與小行星距離變化的曲線如圖11和圖12所示。500次打靶中實(shí)際撞擊點(diǎn)與目標(biāo)撞擊點(diǎn)位置誤差在垂直于視線平面上的散布如圖13所示，可見撞擊精度均優(yōu)于4 m。

圖11 500次打靶垂直于視線方向的撞擊器相對位置估計(jì)誤差Fig.11 Relative position errors in the plane perpendicular to the LOS in 500 Monte Carlo simulation runs

圖12 500次打靶垂直于視線方向的撞擊器相對速度估計(jì)誤差Fig.12 The relative velocity errors in the plane perpendicular to the LOS in 500 Monte Carlo simulation runs

圖13 500次打靶撞擊點(diǎn)位置誤差Fig.13 Impact site position errors in 500 Monte Carlo simulation runs

5 結(jié)論

針對50 m級近地小行星10 m級撞擊任務(wù)，提出了一種小行星撞擊段高精度自主GNC方案。針對高精度小行星中心視線測量的需求，提出了點(diǎn)目標(biāo)和面目標(biāo)的中心提取方法，首先利用矩算法獲取初值，然后通過函數(shù)擬合以及相位修正來進(jìn)一步提高精度，實(shí)現(xiàn)了中心視線的測量精度優(yōu)于3″。針對撞擊段高精度自主相對導(dǎo)航的需求，設(shè)計(jì)了一種基于小行星中心視線測量的相對自主導(dǎo)航方法，分析了僅利用視線測量的自主導(dǎo)航系統(tǒng)可觀性，實(shí)現(xiàn)了對垂直于視線方向的相對位置和速度的精確估計(jì)，滿足了精確撞擊制導(dǎo)的要求。針對精確撞擊制導(dǎo)的需求，基于相對導(dǎo)航的狀態(tài)估計(jì)給出了一種迭代預(yù)測制導(dǎo)方法，分析了制導(dǎo)修正時(shí)機(jī)對軌道修正速度增量的影響，實(shí)現(xiàn)了10 m級撞擊精度任務(wù)要求。