地外天體著陸巡視探測自主智能技術(shù)進(jìn)展

吳 克，李文博，張 哲，黃曉峰，張?zhí)熘?，?彤

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094; 2. 北京控制工程研究所, 北京 100094；3. 空間智能控制技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094; 4. 北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081；5. 探月與航天工程中心，北京 100190；6. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，合肥 230027)

0 引 言

深空探測是人類進(jìn)一步認(rèn)知宇宙、探索生命起源和演化、獲取更多科學(xué)認(rèn)識(shí)、開發(fā)和利用空間資源的必要手段，對(duì)科技進(jìn)步和人類文明發(fā)展具有極為重要的意義。半個(gè)多世紀(jì)以來，人類已先后成功對(duì)月球、火星、小天體等地外天體完成了多種方式的探測活動(dòng)，包括：飛越、繞飛、著陸、巡視、取樣返回及載人登陸等。其中，著陸、巡視作為開展地外天體科學(xué)探測最直接而高效的方式，為人類了解地外天體的物質(zhì)成分、演化歷史、資源賦存狀態(tài)及空間環(huán)境特征等提供了具有深入性與針對(duì)性的技術(shù)途徑，能夠有效拓展科學(xué)探測的廣度和深度，實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)研究的點(diǎn)面結(jié)合，同時(shí)也可為地外天體資源的開發(fā)利用進(jìn)行必要的試驗(yàn)驗(yàn)證。

地外天體著陸巡視探測，具有目標(biāo)距離遠(yuǎn)、所處環(huán)境未知多變等特點(diǎn)，使得深遠(yuǎn)空間探測器的操控與近地軌道航天器存在較大區(qū)別，例如上傳指令延遲大、地面測控精度差等。目前傳統(tǒng)的“地面測控站—探測器”操控模式，嚴(yán)重限制了地外天體著陸巡視探測任務(wù)的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性。自主智能技術(shù)是解決上述問題的有效途徑，已成為當(dāng)前深空探測發(fā)展的一個(gè)重要方向。

自主智能技術(shù)，即通過在深遠(yuǎn)空間探測器上構(gòu)建智能化自主管理的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在軌操控與科學(xué)探測任務(wù)的智能規(guī)劃調(diào)度與決策執(zhí)行、器上狀態(tài)自主監(jiān)測及故障情況下的系統(tǒng)智能化重構(gòu)，完成無地面操控和無人參與情況下的探測器長期自主安全運(yùn)行。

本文回顧了目前國內(nèi)外已開展的月球、火星、小天體等地外天體著陸巡視探測任務(wù)實(shí)施情況，闡述了該領(lǐng)域自主智能技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望了未來發(fā)展態(tài)勢。

1 地外天體著陸巡視探測任務(wù)回顧

1.1 月球著陸巡視探測任務(wù)

月球作為距離地球最近的地外天體，是人類深空探測的首選目標(biāo)，國際上已先后對(duì)其實(shí)施了120余次探測活動(dòng)。人類探月歷程包括兩個(gè)高潮期：

(1) 1958—1976年的第一個(gè)高潮期。美、蘇兩國共實(shí)施了100次無人探測活動(dòng)(蘇聯(lián)64次、美國36次)與9次載人探測活動(dòng)(均為美國，2次載人環(huán)月、7次載人登月)，成功率約為46%。

在此期間，關(guān)于著陸巡視活動(dòng)的代表成果包括：1959年9月12日蘇聯(lián)發(fā)射“月亮2號(hào)”探測器，首次實(shí)現(xiàn)月球表面的硬著陸；1969年7月16日美國發(fā)射“阿波羅11號(hào)”飛船，完成人類歷史上的首個(gè)載人登月任務(wù)；1970年11月10日蘇聯(lián)發(fā)射“月球車1號(hào)”，實(shí)現(xiàn)國際首次地外天體無人巡視；1971年7月26日美國發(fā)射“阿波羅15號(hào)”飛船，首次使用月球車實(shí)現(xiàn)地外天體的有人巡視探測。

(2) 1994年至今的第二個(gè)高潮期。經(jīng)過近20年的探月寂靜期，1994年1月25日美國發(fā)射“克萊門汀號(hào)”探測器，在月球南極發(fā)現(xiàn)可能存在水冰，這引起了國際的廣泛關(guān)注。此后，日本、以色列、印度、中國和歐洲航天局(ESA)等多個(gè)國家和國際組織相繼開展月球探測活動(dòng)，開啟了延續(xù)至今的第二個(gè)探月高潮。在此期間，全世界共實(shí)施了19次無人探測任務(wù)，多數(shù)為繞月探測;中國成功實(shí)現(xiàn)月面軟著陸，成為繼蘇聯(lián)、美國之后第三個(gè)實(shí)施月球軟著陸的國家。2013年12月14日，“嫦娥三號(hào)”探測器在月球西經(jīng)19.5°、北緯44.1°虹灣區(qū)精準(zhǔn)著陸，隨后“玉兔號(hào)”巡視器與著陸器成功分離，首次實(shí)現(xiàn)地外天體表面的無人巡視探測和原位科學(xué)探測。

“嫦娥三號(hào)”著陸器目前仍在正常運(yùn)行，刷新了國際月表探測的最長紀(jì)錄，并突破了深空自主導(dǎo)航與控制、基于多信息融合的自主避障、考慮關(guān)鍵部件和分系統(tǒng)的自主故障定位與重構(gòu)等多項(xiàng)自主智能關(guān)鍵技術(shù)，保障了極端環(huán)境下著陸器的自主生存，實(shí)現(xiàn)了在月球上同時(shí)開展“測月、巡天、觀地”科學(xué)探測，獲取了大量原始科學(xué)數(shù)據(jù)。“嫦娥三號(hào)”著陸器與“玉兔號(hào)”巡視器分別如圖1～2所示。

圖1 “嫦娥三號(hào)”著陸器Fig.1 The lander of Chang’e-3

圖2 “玉兔號(hào)”巡視器Fig.2 The rover Yutu

2019年1月3日，“嫦娥四號(hào)”探測器在月球背面南極-艾特肯盆地馮·卡門撞擊坑成功軟著陸，首次實(shí)現(xiàn)了人類探測器在月球背面的著陸和巡視探測，樹立了國際月球探測史上新的里程碑，見圖3。

圖3 “嫦娥四號(hào)”探測器Fig.3 The probe Chang’e-4

“嫦娥四號(hào)”探測器在智能化與自主化方面突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：首次實(shí)現(xiàn)了月球背面崎嶇、未知地形環(huán)境下基于序列圖像的高精度自主避障軟著陸。相比“嫦娥三號(hào)”的月球正面虹灣區(qū)域著陸任務(wù)，月球背面地形更為崎嶇復(fù)雜，對(duì)著陸過程的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制帶來了更大挑戰(zhàn)。為了提高著陸導(dǎo)航的可靠性，設(shè)計(jì)了一種基于慣性敏感器和測距測速敏感器的自主導(dǎo)航方法。其中，慣性敏感器用于著陸過程的慣性自主導(dǎo)航，測距測速敏感器通過多源信息融合實(shí)現(xiàn)多波束測距測速修正，建立了自主導(dǎo)航容錯(cuò)框架，實(shí)現(xiàn)了異常測量數(shù)據(jù)的快速篩選與隔離、多波束測量信息的魯棒融合；為了提升著陸控制的安全性，設(shè)計(jì)了一種基于垂直接近和精確避障控制的有效融合方法；為了提高著陸過程的自主性，改變了原本依賴地面、人工判讀的故障診斷與處理方式，交由著陸器自主處置。

“玉兔二號(hào)”巡視器在“玉兔號(hào)”巡視器的基礎(chǔ)上，對(duì)其自主智能能力進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)：突破了基于雙目立體視覺的自主環(huán)境感知、基于月面巡視器運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的動(dòng)靜態(tài)組合導(dǎo)航定姿定位、基于多輪協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡與航向跟蹤控制、基于地形可通過性量化分析的安全性和運(yùn)動(dòng)效率綜合最優(yōu)的路徑規(guī)劃、基于離散點(diǎn)信息的障礙識(shí)別、基于主動(dòng)結(jié)構(gòu)光被動(dòng)視覺的激光探測避障等關(guān)鍵技術(shù)。

2020年12月17日，“嫦娥五號(hào)”探測器攜帶月球樣品安全降落內(nèi)蒙古四子王旗著陸場，實(shí)現(xiàn)了月球無人采樣返回的任務(wù)目標(biāo)，標(biāo)志著中國探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略圓滿收官。針對(duì)自主智能化需求，本次任務(wù)突破了基于星光的自主天文定位和對(duì)準(zhǔn)、重力場測量、上升自適應(yīng)動(dòng)力顯式制導(dǎo)、慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整自主故障檢測、推力監(jiān)測與發(fā)動(dòng)機(jī)自重組、半彈道跳躍式再入返回自主制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 火星著陸巡視探測任務(wù)

火星作為人類迄今為止最有可能移居的地外天體，已成為各主要航天國家的探測熱點(diǎn)和空間技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一。相比于月球探測，由于距離地球更遠(yuǎn)、大氣環(huán)境更復(fù)雜，火星探測任務(wù)難度更大。從1960年蘇聯(lián)發(fā)射的首顆火星探測器開始至今，人類共實(shí)施了48次火星探測任務(wù)；其中，美國23次、蘇聯(lián)/俄羅斯19次、日本1次、ESA 2次、印度1次、阿聯(lián)酋1次、中國1次;完全成功或部分成功28次，成功率約為58%。

在探測方式上，國際上已實(shí)現(xiàn)掠飛、環(huán)繞、著陸、巡視等多種方式的火星探測，技術(shù)難度更大的采樣返回和載人探測仍處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。截至目前，美國已取得人類火星探測史上的多個(gè)“首次”，處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。2021年5月15日，“天問一號(hào)”探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)(見圖4)；2021年5月22日，“祝融號(hào)”火星車與著陸器成功分離，并開展火星表面巡視探測，中國在國際上首次通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了火星“環(huán)繞、著陸、巡視”的三步跨越，開啟了中國行星探測的新征程。

圖4 “天問一號(hào)”火星探測器Fig.4 The Mars probe Tianwen-1

與月球軟著陸任務(wù)相比，火星著陸探測任務(wù)面臨火星表面環(huán)境信息、進(jìn)入艙氣動(dòng)特性與進(jìn)入點(diǎn)狀態(tài)不確知性大、進(jìn)入艙任務(wù)約束多等諸多挑戰(zhàn)，以及拋傘后著陸平臺(tái)的減速、傘-背罩組合體和地形地貌障礙的統(tǒng)一規(guī)避等需求?！疤靻栆惶?hào)”突破了多波束測速與故障監(jiān)測同步、基于測距測速敏感器和慣性測量單元的導(dǎo)航基準(zhǔn)重構(gòu)、大氣進(jìn)入自適應(yīng)規(guī)劃與制導(dǎo)、多約束一體化自適應(yīng)規(guī)劃與控制等多項(xiàng)自主智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了火星復(fù)雜飛行環(huán)境下進(jìn)入、下降和著陸過程的高容錯(cuò)、強(qiáng)自主控制。

“祝融號(hào)”火星車采用基于相機(jī)圖像地面規(guī)劃的遙操作方式和基于雙目視覺障礙監(jiān)測與路徑規(guī)劃的自主方式完成既定任務(wù)，突破了三維地形恢復(fù)、位置姿態(tài)確定、局部路徑規(guī)劃、避障規(guī)劃移動(dòng)、激光探測避障移動(dòng)、故障診斷與自主處理等自主智能技術(shù)，自主導(dǎo)航移動(dòng)能力(定位精度小于2%、平均速度56 m/h)，較“玉兔二號(hào)”有了顯著提升(定位精度10%、平均速度小于6 m/h)，與ESA推遲到2022年發(fā)射的ExoMars指標(biāo)相當(dāng)，但與美國2020年發(fā)射的“毅力號(hào)”火星車(自主導(dǎo)航移動(dòng)速度120 m/h)尚有一定差距。

1.3 小天體附著巡視探測任務(wù)

太陽系小天體(簡稱小天體)主要是指圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)但不具備行星或矮行星特征的天體，包括太陽系內(nèi)的小行星、彗星、流星和其他星際物質(zhì)，它們保存著太陽系形成初期的原始成分，是研究太陽系起源和演化歷史的活化石。近年來，小天體探測也成為深空探測領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

相對(duì)于月球、火星等地外天體，小天體探測起步較晚，到20世紀(jì)80年代才受到關(guān)注。截至目前，人類共實(shí)施了22次小天體探測活動(dòng)。其中，14次專門的小天體探測任務(wù)(美國7次、日本5次、ESA 2次),8次拓展探測任務(wù)(美國3次、蘇聯(lián)2次、歐空局2次、中國1次)，先后實(shí)現(xiàn)了飛越、撞擊、環(huán)繞、著陸和采樣返回等多種形式探測。

不同于月球、火星等地外天體的著陸探測任務(wù)，由于探測器在小天體附近所受引力較小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較低，常將其降落在小天體表面的過程描述為“附著”。截至目前，人類已實(shí)施了5次小天體附著探測活動(dòng)，分別是：(1)美國“近地小行星交會(huì)”(NEAR)探測器，于2001年2月12日在近地小行星愛神(433 Eros)上實(shí)現(xiàn)首次小天體附著；(2)日本“隼鳥號(hào)”(Hayabusa)探測器，于2005年11月對(duì)小行星“糸川”(25143 Itokawa)實(shí)施了2次短期接觸式采樣，并于2010年6月13日將樣本帶回地球，實(shí)現(xiàn)首次小行星采樣返回；(3)ESA“羅塞塔號(hào)”(Rosetta)探測器，于2014年11月13日通過釋放的“菲萊號(hào)”(Philae)著陸器對(duì)楚留莫夫-格拉希門克彗星(代號(hào)67P)實(shí)現(xiàn)首次彗星附著；(4)日本“隼鳥2號(hào)”(Hayabusa-II)探測器，于2018至2019年通過釋放巡視器與著陸器、短期接觸式附著、發(fā)射金屬彈等多種方式對(duì)小行星龍宮(1999 JU3 Ryugu)完成采樣，并于2020年12月6日將樣本帶回地球；(5)美國“奧西里斯-雷克斯號(hào)”(OSIRIS-REx)探測器，于2020年10月20日對(duì)小行星“本努”(101955 Bennu)實(shí)施附著采樣，并計(jì)劃于2023年9月攜帶樣本返回。

小天體附著探測任務(wù)存在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高、不確定性強(qiáng)等特點(diǎn)，并面臨先驗(yàn)觀測信息匱乏、星(器)載計(jì)算資源有限、星表形貌復(fù)雜多樣等挑戰(zhàn)。為提升小天體附著探測任務(wù)的成功率，確保附著過程的安全性與穩(wěn)健性，國際上已實(shí)施的此類任務(wù)均在一定程度上突破了附著環(huán)境感知、附著軌跡生成與制導(dǎo)、附著風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避控制等關(guān)鍵技術(shù)。例如，“隼鳥號(hào)”探測器(見圖5)設(shè)計(jì)了一種基于路標(biāo)的環(huán)境自主導(dǎo)航定位技術(shù)，在距離小天體表面100 m處，通過下拋導(dǎo)航路標(biāo)的方式進(jìn)行自主導(dǎo)航定位。該導(dǎo)航路標(biāo)具有較小的反彈系數(shù)，被安裝在底座上的閃光燈照亮，寬視場相機(jī)拍照與閃光燈同步工作。

圖5 “隼鳥號(hào)”探測器Fig.5 The probe Hayabusa

2 自主智能技術(shù)發(fā)展概況

為進(jìn)一步提升地外天體著陸巡視探測任務(wù)中自主智能技術(shù)的安全性、可靠性、容錯(cuò)性、魯棒性與自適應(yīng)性，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域科研人員和專家學(xué)者開展了一系列理論方法研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

本節(jié)針對(duì)著陸探測任務(wù)特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述導(dǎo)航定位與環(huán)境感知、軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制兩項(xiàng)核心技術(shù)；對(duì)于巡視探測任務(wù)特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注自主探測與路徑規(guī)劃兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；最后，介紹著陸巡視任務(wù)中共用的故障診斷與自主處理技術(shù)。

2.1 導(dǎo)航定位與環(huán)境感知技術(shù)

在地外天體著陸過程中，探測器需要明確自身飛行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、分析周圍環(huán)境的潛在威脅，并為后續(xù)的軌跡優(yōu)化制定生成、制導(dǎo)控制策略實(shí)施提供精準(zhǔn)的測量感知信息，是實(shí)現(xiàn)軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制的前提條件。

導(dǎo)航定位技術(shù)是指：在不依賴地面支持的情況下，僅利用探測器自身的測量設(shè)備在軌實(shí)時(shí)確定其位置、速度、姿態(tài)及其他導(dǎo)航參數(shù)的技術(shù)。按照獲得信息方法的不同，導(dǎo)航定位技術(shù)主要分為以下四類：慣性導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、天文導(dǎo)航和組合導(dǎo)航。根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn)的不同，導(dǎo)航定位技術(shù)包括以下三種：

1)可觀測性分析是探測器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的前提條件。主要成果包括：文獻(xiàn)[22]在僅有測角信息的約束下，基于協(xié)方差矩陣的估計(jì)大小來制定導(dǎo)航策略；文獻(xiàn)[23]利用Cramer-Rao下界有效評(píng)估了系統(tǒng)每個(gè)狀態(tài)變量的精度，量化了狀態(tài)估計(jì)與誤差統(tǒng)計(jì)特性之間的期望誤差下界，并在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。

2)導(dǎo)航濾波算法是探測器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的關(guān)鍵核心。主要成果包括：文獻(xiàn)[24]提出了一種基于交互多模型的卡爾曼濾波算法算法，能夠提升目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不確定、噪聲特性信息不足等約束條件下系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)精度。

3)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償是提升探測器導(dǎo)航定位精度的有效途徑。主要成果包括：文獻(xiàn)[25]以自主導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件——星敏感器為研究對(duì)象，基于傅立葉變換，通過低頻誤差的準(zhǔn)確估計(jì)來有效提升自主導(dǎo)航精度；文獻(xiàn)[26]提出了一種信息輔助校正方法，實(shí)現(xiàn)了自主導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的精準(zhǔn)估計(jì)和有效補(bǔ)償；文獻(xiàn)[27]提出了一種系統(tǒng)誤差自校正方法，僅利用敏感器的觀測信息和系統(tǒng)模型，通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)來補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。

環(huán)境感知技術(shù)是指：探測器利用配置的各種敏感器在軌實(shí)時(shí)獲取著陸區(qū)域附近高精度的地形與地質(zhì)數(shù)據(jù)，評(píng)估地形并識(shí)別潛在危險(xiǎn)。根據(jù)敏感器工作方式的不同，環(huán)境感知技術(shù)主要可以分為以下兩種：

1)基于主動(dòng)敏感器的環(huán)境感知技術(shù)。主要采用激光雷達(dá)主動(dòng)感知探測器的著陸環(huán)境，直接將著陸區(qū)域的立體圖像生成數(shù)字高程圖，用于評(píng)估危險(xiǎn)地形并獲得探測器附近區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布特征，實(shí)現(xiàn)障礙分布的有效識(shí)別，具有精度高、更新快、不受光照影響等優(yōu)勢。主要成果包括：2006年，美國針對(duì)月球、火星乃至小行星的自主著陸需求，研制了一種閃光式激光成像雷達(dá)敏感器，并經(jīng)過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了基于主動(dòng)敏感器的環(huán)境感知技術(shù)的可行性；2013年，中國“嫦娥三號(hào)”探測器利用激光三維成像敏感器在世界上首次實(shí)現(xiàn)了地外天體軟著陸精確自主避障。

2)基于被動(dòng)敏感器的環(huán)境感知技術(shù)。不同于主動(dòng)敏感器，主要采用光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)探測器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有效估計(jì)。主要成果包括：美國開發(fā)了一種著陸器視覺系統(tǒng)(LVS)，并在2015年成功進(jìn)行飛行試驗(yàn)驗(yàn)證；日本“隼鳥號(hào)”探測器，在小行星附著過程中實(shí)現(xiàn)了基于被動(dòng)敏感器的相對(duì)導(dǎo)航；中國“嫦娥三號(hào)”探測器，在月球接近段飛行過程中首次利用光學(xué)相機(jī)觀測預(yù)定著陸區(qū)，實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸粗避障；ESA在行星接近和著陸導(dǎo)航項(xiàng)目中，提出了一種基于特征點(diǎn)提取、跟蹤和估計(jì)的被動(dòng)敏感器導(dǎo)航方法。

2.2 軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制技術(shù)

對(duì)于地外天體著陸探測任務(wù)，探測器在基于導(dǎo)航定位與環(huán)境感知技術(shù)獲取測量信息之后，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整優(yōu)化運(yùn)行軌跡、制定制導(dǎo)控制策略，為控制指令執(zhí)行提供輸入?yún)⒖?，是?shí)現(xiàn)有效控制的關(guān)鍵核心。

軌跡優(yōu)化技術(shù)是指：探測器根據(jù)自身運(yùn)行和周圍環(huán)境約束，對(duì)可選擇的運(yùn)行路線進(jìn)行優(yōu)化，并自動(dòng)生成一組時(shí)間上有序的操控序列。主要包括姿態(tài)規(guī)劃與軌跡規(guī)劃兩種。其中，姿態(tài)規(guī)劃是探測器從一種姿態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種姿態(tài)的再定向過程，能夠有效降低控制方法的復(fù)雜程度，使其具備更高層次的自主運(yùn)行能力，可細(xì)分為多約束條件下的可行與最優(yōu)兩種姿態(tài)機(jī)動(dòng)規(guī)劃方法；軌跡規(guī)劃是探測器根據(jù)自身的位置信息及目標(biāo)區(qū)域，通過制定相應(yīng)的機(jī)動(dòng)策略，生成連接初始與目標(biāo)位置且滿足工程約束條件的軌跡曲線。按照求解算法的不同，軌跡優(yōu)化技術(shù)又可以細(xì)分為以下兩種：

1)基于連續(xù)求解的軌跡優(yōu)化技術(shù)，能夠得到較為平滑的軌跡曲線，但求解難度較大，包括直接法、間接法、偽譜法和凸優(yōu)化等；

2)基于離散搜索的軌跡優(yōu)化技術(shù)，便于問題求解，能夠形成一條較為完整的軌跡曲線，但平滑度不佳，包括：圖解法、A搜索法、Way-Points方法等。

主要成果包括：文獻(xiàn)[28]利用Way-Points方法，基于事先確定的目標(biāo)點(diǎn)，對(duì)探測器軌跡進(jìn)行優(yōu)化與表示；文獻(xiàn)[29]基于二次規(guī)劃方法，得到了滿足多種約束條件的姿態(tài)機(jī)動(dòng)序列；文獻(xiàn)[30]將姿態(tài)指向的約束條件轉(zhuǎn)化為二次凸約束的形式，得到了滿足約束的非線性解；文獻(xiàn)[31]將時(shí)間最優(yōu)姿態(tài)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換成中間節(jié)點(diǎn)的尋優(yōu)問題，通過設(shè)計(jì)的角速度和時(shí)間編碼方法，得到了滿足約束條件的姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑；文獻(xiàn)[32]基于半定松弛方法，將非凸二次約束二次規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為半定規(guī)劃問題，并通過迭代秩最小化方法得到了最優(yōu)解；文獻(xiàn)[33]利用A搜索法，將三維搜索空間劃分為多個(gè)不同節(jié)點(diǎn)，將潛在的障礙物和危險(xiǎn)區(qū)域用基本幾何形狀或其組合進(jìn)行描述，確保運(yùn)動(dòng)軌跡始終處于障礙物和危險(xiǎn)區(qū)域之外。

制導(dǎo)控制技術(shù)是指：探測器僅靠自身攜帶的測量設(shè)備和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)與軌道的測量、確定,生成在控制力作用下的飛行規(guī)律并自主進(jìn)行姿態(tài)和軌道控制。按照天體特性和工作過程的不同，制導(dǎo)控制技術(shù)包括以下兩類：

1)有大氣天體的大氣進(jìn)入過程自主制導(dǎo)控制技術(shù)。使探測器在理想的高度處，滿足開傘點(diǎn)(包括：開傘高度、動(dòng)壓和馬赫數(shù)等)以及整個(gè)進(jìn)入過程的過載和熱流密度等多項(xiàng)約束條件。根據(jù)具體方法的不同，又可以細(xì)分為以下三類：標(biāo)稱軌跡跟蹤、預(yù)測校正以及混合制導(dǎo)控制。其中，標(biāo)稱軌跡跟蹤，基于預(yù)先已知的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一條參考軌跡，通過控制算法及執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)參考軌跡的自主跟蹤；預(yù)測校正，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和系統(tǒng)模型預(yù)測終端的狀態(tài)值，通過其與期望值之間的對(duì)比來修正當(dāng)前軌跡，實(shí)現(xiàn)自主制導(dǎo)控制；混合制導(dǎo)控制，又具體包括淺融合和深融合兩種；淺融合是探測器在進(jìn)入大氣層前在線獲得參考軌跡，并在進(jìn)入過程中對(duì)其進(jìn)行跟蹤；深度融合是通過自適應(yīng)全數(shù)值預(yù)測校正來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外雙環(huán)的制導(dǎo)控制，外環(huán)以慢周期修正探測器的軌跡，使其對(duì)初始狀態(tài)誤差和參數(shù)不確定性的影響不敏感，內(nèi)環(huán)則以快周期執(zhí)行軌跡跟蹤任務(wù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，以提升自主制導(dǎo)控制的精度與適應(yīng)性。主要成果包括：文獻(xiàn)[34]將滑模變結(jié)構(gòu)控制器引入到軌跡跟蹤制導(dǎo)方法的設(shè)計(jì)過程中，提高了自主制導(dǎo)控制系統(tǒng)的魯棒性；文獻(xiàn)[35]為了克服氣動(dòng)參數(shù)等不確定因素的影響，將直接模型參考自適應(yīng)控制方法應(yīng)用到標(biāo)稱軌跡跟蹤制導(dǎo)控制方法的設(shè)計(jì)過程。

2)無大氣天體的動(dòng)力下降段精確著陸制導(dǎo)控制技術(shù)。使探測器滿足控制精度、障礙規(guī)避及燃料消耗等多項(xiàng)約束條件，并利用反推力發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)定著陸點(diǎn)/區(qū)域的自主精準(zhǔn)安全著陸。根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和約束條件的不同，又可以細(xì)分為以下三類：重力轉(zhuǎn)彎制導(dǎo)控制、多項(xiàng)式制導(dǎo)控制、顯式制導(dǎo)控制。其中，重力轉(zhuǎn)彎制導(dǎo)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)探測器垂直著陸于地外天體表面，具有系統(tǒng)配置簡單、工程適用性強(qiáng)等特點(diǎn)；多項(xiàng)式制導(dǎo)控制，用四次多項(xiàng)式來描述(多項(xiàng)式系數(shù)待定)探測器的位置，當(dāng)給定終端的位置、速度、加速度等約束條件時(shí)，即可完成多項(xiàng)式系數(shù)的求解，從而得到制導(dǎo)指令并最終實(shí)現(xiàn)自主控制；顯式制導(dǎo)控制，按照控制泛函的顯性表達(dá)式實(shí)時(shí)計(jì)算探測器的速度和位置，無需跟蹤標(biāo)稱軌跡即可在線得到制導(dǎo)參數(shù)，這在大干擾情況下具有顯著優(yōu)勢。主要成果包括：文獻(xiàn)[36]在均勻重力場中檢驗(yàn)了最優(yōu)控制算法并得到了最優(yōu)剩余飛行時(shí)間；文獻(xiàn)[37]針對(duì)復(fù)雜約束條件下燃料最優(yōu)的軟著陸問題，設(shè)計(jì)了一種離線的凸優(yōu)化方法，能夠以極小的著陸誤差解決沒有可行解的問題；文獻(xiàn)[38]將強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于火星著陸參數(shù)的選取過程中，具有極高的自主性，但學(xué)習(xí)過程較復(fù)雜。

3)弱引力的附著控制技術(shù)，由于小行星引力較弱，不能實(shí)現(xiàn)航天器的重力附著，其附著控制過程，就是一個(gè)非合作目標(biāo)飛行天體交會(huì)并完成捕獲附著的過程。目前較為常見的附著方式包括錨定、粘接、持續(xù)正壓力或正推力維持等。小行星通常距離地球較遠(yuǎn)，并且能夠獲得的先驗(yàn)信息較少，必須使著陸/附著航天器具有一定的自主智能能力，能夠自主完成非合作目標(biāo)交會(huì)，自主完成小行星伴飛確認(rèn)小行星表面狀態(tài)和自旋狀態(tài)，自主完成附著過程控制。

2.3 自主探測與路徑規(guī)劃技術(shù)

在地外天體巡視探測任務(wù)中，巡視器需要通過傳感器獲得行駛區(qū)域地形地貌、障礙物等環(huán)境信息以實(shí)現(xiàn)自主探測。因此，自主探測是巡視器實(shí)現(xiàn)自主智能的基礎(chǔ)，并為路徑規(guī)劃和運(yùn)行控制提供前提條件。

自主探測技術(shù)是指：巡視器憑借自身不同傳感器提取到的多源信息，通過自主計(jì)算判斷并實(shí)現(xiàn)地面環(huán)境建模和地形探測的技術(shù)。按照研究內(nèi)容的不同功能屬性，自主探測技術(shù)包括以下三類：

1)基于關(guān)鍵點(diǎn)檢測的圖像匹配技術(shù)。通常分為三個(gè)階段：關(guān)鍵點(diǎn)檢測、描述和匹配。主要成果包括：SIFT算法是經(jīng)典的基于手工關(guān)鍵點(diǎn)的圖像匹配技術(shù)，具有尺度不變和旋轉(zhuǎn)不變的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是速度慢且受到研究人員任務(wù)特定先驗(yàn)知識(shí)的限制；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的圖像匹配方法利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)檢測關(guān)鍵點(diǎn)并提取特征，通過圖像對(duì)的端到端訓(xùn)練，學(xué)習(xí)幾何變換和3D世界的規(guī)則，求解可微分最優(yōu)化傳輸問題，它使用基于注意力的內(nèi)容聚合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)星體表面圖像匹配。

2)障礙物目標(biāo)檢測與分割技術(shù)?？捎玫膫鞲衅餍畔≧GB圖像、激光點(diǎn)云等多種數(shù)據(jù)形式，通常以RGB圖像分析法為主流。主要成果包括：文獻(xiàn)[44]提出基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法和圖像分割算法；文獻(xiàn)[45]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測障礙物；文獻(xiàn)[46]基于主動(dòng)交互學(xué)習(xí)；文獻(xiàn)[47]利用障礙物和背景的灰度差距；文獻(xiàn)[48]基于美國發(fā)射的“月球勘測軌道器”(LRO)月球輻射數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，利用巖石和沙礫不同的熱性質(zhì)實(shí)現(xiàn)障礙物分割；文獻(xiàn)[49]基于超像素和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)障礙物檢測。

3)多源融合的測距技術(shù)。由于視覺測量存在對(duì)光線敏感、焦距固定等不足，需引入激光測距、雷達(dá)等其他測量手段提升遠(yuǎn)距離信息感知的維度與精度。主要成果包括：文獻(xiàn)[50]利用激光測距數(shù)據(jù)，通過自監(jiān)督學(xué)習(xí)法，預(yù)測地形的粗糙度；文獻(xiàn)[51]基于相機(jī)和激光雷達(dá)兩種測量手段得到的異構(gòu)信息，利用擴(kuò)展條件隨機(jī)場模型進(jìn)行有效融合，通過上述兩種測量手段的優(yōu)勢互補(bǔ)提升了遠(yuǎn)距離感知能力。

同樣，根據(jù)巡視器所需功能的不同，自主探測技術(shù)又可以細(xì)分為以下三類：

1)SLAM地圖構(gòu)建技術(shù)。該系統(tǒng)分為五個(gè)主要部分：傳感器信息采集、前端位姿估計(jì)、后端優(yōu)化、回環(huán)檢測和建圖，主要使用視覺傳感器、慣性傳感器和激光雷達(dá)傳感器等。主要成果包括：主流的多源信息融合SLAM技術(shù)使用匹配算法、光束平差法、詞袋技術(shù)等實(shí)現(xiàn)自主定位和實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建。文獻(xiàn)[54]基于單目相機(jī)使用濾波方法實(shí)現(xiàn)SLAM技術(shù)；文獻(xiàn)[55]基于概率理論闡述了構(gòu)建基于激光雷達(dá)的SLAM系統(tǒng)的方法。VIL-SLAM是視覺-慣性-雷達(dá)SLAM的一項(xiàng)代表性工作，實(shí)現(xiàn)了視覺-慣性里程計(jì)和激光雷達(dá)測距的緊耦合，提高了位姿估計(jì)和建圖的精度。

2)基于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳感器的當(dāng)前地形信息獲取技術(shù)?？捎玫膫鞲衅餍畔ǎ很囕嗠姍C(jī)的電流與轉(zhuǎn)速、加速度計(jì)、智能感知輪胎、聲波特征、車輪與星壤交互等。主要成果包括：文獻(xiàn)[57]基于支持向量機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)分類，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法有效識(shí)別了局部地形；文獻(xiàn)[58]利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、蒙特卡洛樹搜索技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了沙漠、河床等地理特征的自主識(shí)別。

3)基于視覺傳感器的地形分類技術(shù)。針對(duì)未知地外天體環(huán)境存在的不確定性、非連續(xù)性和非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)，以遠(yuǎn)距離視覺傳感器為載體，通過有效信息提取、高精度地形與地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取、遠(yuǎn)距離地形評(píng)估等技術(shù)來識(shí)別潛在危險(xiǎn)，包括基于立體視覺的地形評(píng)估技術(shù)和基于二維圖像的地形評(píng)估技術(shù)。其中，基于立體視覺的地形評(píng)估技術(shù)的主要成果包括：文獻(xiàn)[59]利用地形粗糙度、節(jié)點(diǎn)之間的長度、地形傾斜度三個(gè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了巡視器附近區(qū)域幾何地形的分析；文獻(xiàn)[60]為ExoMars火星巡視探測任務(wù)設(shè)計(jì)一種基于立體圖像的小山丘尺度專用測量方法，通過與“機(jī)遇號(hào)”火星車的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，能夠感知到流動(dòng)性極強(qiáng)的風(fēng)沙床地形?；诙S圖像的地形評(píng)估技術(shù)的主要成果包括：文獻(xiàn)[61]將專家經(jīng)驗(yàn)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，通過構(gòu)建的圖像紋理映射關(guān)系分類器實(shí)現(xiàn)了地形的準(zhǔn)確分類；文獻(xiàn)[62]利用基于序列圖像的動(dòng)態(tài)紋理分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地外天體星壤類型的準(zhǔn)確分類以及巡視器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精準(zhǔn)估計(jì)。

路徑規(guī)劃技術(shù)是指：巡視器根據(jù)自身的能力和狀態(tài)、感知認(rèn)識(shí)空間環(huán)境以及一定時(shí)間內(nèi)的任務(wù)目標(biāo)，并利用計(jì)算機(jī)知識(shí)建模等技術(shù)對(duì)可選的動(dòng)作和涉及的約束進(jìn)行推演，自動(dòng)生成一組時(shí)間活動(dòng)序列，并為控制指令的執(zhí)行提供參考輸入。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，路徑規(guī)劃技術(shù)主要包括以下兩種：

1)自主任務(wù)重規(guī)劃技術(shù)。若外界環(huán)境發(fā)生變化或系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)部件發(fā)生故障，原有規(guī)劃結(jié)果無法完成既定任務(wù)，巡視器需要根據(jù)當(dāng)前的外部環(huán)境與情況、系統(tǒng)自身的具體能力，求解出新的規(guī)劃結(jié)果，以確保能夠繼續(xù)完成原有的任務(wù)目標(biāo)。在算法層面，主要包括局部搜索、進(jìn)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、約束可滿足問題求解等。

2)自主任務(wù)規(guī)劃修復(fù)技術(shù)?；谠械囊?guī)劃結(jié)果，利用精細(xì)搜索、刪除動(dòng)作、調(diào)整參數(shù)等操作，減小求解規(guī)模、提升規(guī)劃效率，進(jìn)而自主生成修復(fù)后的序列目標(biāo)。在算法層面，主要包括：規(guī)則匹配、局部調(diào)整、刪除/求精、狀態(tài)轉(zhuǎn)移、新問題構(gòu)建等。文獻(xiàn)[63]針對(duì)上述算法的不同特點(diǎn)，以及地外天體著陸巡視過程中的各種突發(fā)情況，構(gòu)建了合理的應(yīng)用場景。

2.4 故障診斷與自主處理技術(shù)

故障診斷與自主處理技術(shù)是指：探測器或巡視器僅依靠自身攜帶的多種測量裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、構(gòu)建的解析冗余關(guān)系等，自主發(fā)現(xiàn)故障(包括：故障檢測與故障隔離)，并能夠根據(jù)診斷結(jié)果，通過改變測量裝置或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配置構(gòu)型、更改控制算法等方式應(yīng)對(duì)與處理故障，以恢復(fù)系統(tǒng)的全部或部分既定功能。

1)故障診斷技術(shù)。在故障發(fā)生之后，通過設(shè)計(jì)的方法策略與技術(shù)手段，對(duì)故障源實(shí)現(xiàn)檢測、定位與辨識(shí)，為后續(xù)處置方法的有效實(shí)施提供參考依據(jù)。根據(jù)作用機(jī)理的不同，又可以細(xì)分為以下幾類：

(1)基于解析模型的故障診斷技術(shù)。從影響機(jī)理的角度出發(fā)，利用系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離。為減小系統(tǒng)內(nèi)部不確定性與外部環(huán)境干擾等多因素的耦合影響，要求該方法具有極高的魯棒性。主要成果包括：文獻(xiàn)[66]針對(duì)一類具有參數(shù)不確定性和未知擾動(dòng)的飛行系統(tǒng)，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障視為未知輸入，設(shè)計(jì)了一種全對(duì)稱多胞形集員濾波器，用于估計(jì)測量輸出的上下界，進(jìn)而利用未知輸入濾波器實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的檢測與隔離。

(2)基于信號(hào)處理的故障診斷技術(shù)。通過提取與故障相關(guān)的信號(hào)特征，利用系統(tǒng)的輸出量與故障源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離；具有原理簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、實(shí)時(shí)效率高等特點(diǎn)。主要成果包括：文獻(xiàn)[67]利用多種小波變換技術(shù)手段，提升了陀螺常值漂移階躍變化、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)堵塞與泄漏等故障模式的診斷性能；文獻(xiàn)[68]提出了一種基于等價(jià)空間和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的混合故障診斷方法，對(duì)于突變故障模式具有極高的檢測與隔離精度。

(3)基于人工智能的故障診斷技術(shù)。通過模仿人類的思維和行為，建立故障診斷模型實(shí)現(xiàn)故障的檢測與隔離。按照實(shí)現(xiàn)方法的不同，又可以細(xì)分為專家知識(shí)、定性模型和數(shù)據(jù)挖掘三種。

(4)基于專家知識(shí)的智能故障診斷技術(shù)，將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和故障信息進(jìn)行總結(jié)，歸納成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的規(guī)則知識(shí)庫，將序列數(shù)據(jù)與規(guī)則知識(shí)庫進(jìn)行對(duì)比分析與推理演化，進(jìn)而得到是否發(fā)生故障、發(fā)生何種故障等診斷結(jié)果。

(5)基于定性模型的智能故障診斷技術(shù)?；谒⑾到y(tǒng)的故障診斷模型，利用定性推理技術(shù)，通過分析預(yù)測行為與實(shí)際輸出之間的異常征兆來實(shí)現(xiàn)故障檢測；在此基礎(chǔ)上，基于該征兆與上述模型之間的匹配關(guān)系來實(shí)現(xiàn)故障定位與隔離。

(6)基于數(shù)據(jù)挖掘的智能故障診斷技術(shù)。通過對(duì)海量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得系統(tǒng)的行為模型，并利用已有的先驗(yàn)知識(shí)與輸入的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測，進(jìn)而將檢測出的故障與數(shù)據(jù)庫中的征兆信息進(jìn)行匹配完成故障源的準(zhǔn)確定位。

主要成果包括：文獻(xiàn)[69]設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)故障診斷專家系統(tǒng)，基于深淺知識(shí)的有效結(jié)合、數(shù)據(jù)知識(shí)的并行處理，實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)的故障診斷；文獻(xiàn)[70]提出了一種基于符號(hào)有向圖的動(dòng)態(tài)故障診斷方法，有效提升了某型號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷的分辨率；文獻(xiàn)[71]提出了一種基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)的模糊C均值方法，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)量輪多種故障模式的有效檢測與隔離。

2)自主處理技術(shù)。針對(duì)不同的故障源和故障特征，探測器或巡視器采用硬件備份切換、軟件修改重構(gòu)等處置措施，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行并完成既定任務(wù)，或以犧牲性能為代價(jià)保證系統(tǒng)安全并具備基本功能。因此，根據(jù)作用機(jī)理的不同，又可以細(xì)分為硬件備份切換與軟件修改重構(gòu)兩種。

(1)硬件備份切換技術(shù)。將備用的硬件直接參與系統(tǒng)的運(yùn)行或處于準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，通過硬件的自動(dòng)切換，確保系統(tǒng)始終處于正常狀態(tài)、不間斷地執(zhí)行既定任務(wù)。由于探測器或巡視器的資源嚴(yán)重受限，無法配置數(shù)量更多的冗余硬件，必須通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定冗余硬件的種類數(shù)量及配置構(gòu)型，以提升系統(tǒng)的安全可靠自主運(yùn)行能力。

(2)軟件修改重構(gòu)技術(shù)。利用系統(tǒng)內(nèi)部各變量之間的解析冗余關(guān)系，通過設(shè)計(jì)的容錯(cuò)策略，從軟件算法層面使系統(tǒng)對(duì)于指定故障模式具有容錯(cuò)能力。從控制算法層面，主要分為被動(dòng)和主動(dòng)容錯(cuò)控制兩種。其中，被動(dòng)容錯(cuò)控制不依賴于故障診斷結(jié)果，主要通過控制算法本身的魯棒性，使其對(duì)故障不敏感以實(shí)現(xiàn)故障抑制；主動(dòng)容錯(cuò)控制則基于故障診斷結(jié)果，通過具有自適應(yīng)調(diào)整能力的控制算法、冗余執(zhí)行結(jié)構(gòu)的重新分配等手段，實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)。

主要成果包括：文獻(xiàn)[72]提出了一種魯棒變?cè)鲆鍼ID的被動(dòng)容錯(cuò)控制算法，通過仿射二次穩(wěn)定來降低控制算法的保守性，并引入保性能控制思路以確保系統(tǒng)對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的乘性故障具有魯棒性；文獻(xiàn)[73]針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)未知故障、控制輸入飽和與外部干擾情況下航天器的跟蹤控制問題，提出了一種基于變結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法，與傳統(tǒng)的魯棒容錯(cuò)控制算法相比，僅通過一個(gè)專用參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，且無需執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的準(zhǔn)確信息；文獻(xiàn)[74]采用非線性解析模型來描述系統(tǒng)，并提出了一種連續(xù)滑?？刂坪头瞧娈惤K端滑?？刂品椒?，能夠確保未知外部擾動(dòng)影響下姿態(tài)控制誤差的全局漸近收斂，并通過仿真驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性；文獻(xiàn)[75]以火星著陸探測任務(wù)過程中面臨的精確可靠控制問題為研究背景，針對(duì)推力器故障問題，提出了一種非線性容錯(cuò)控制分配方法，通過冗余推力器的在線重新配置，大幅降低了故障對(duì)航天器軌跡跟蹤的影響；同時(shí)，提出了一種穩(wěn)定性分析方法，在非實(shí)時(shí)仿真情況下，評(píng)估了整個(gè)著陸探測控制方案的容錯(cuò)性能。

3 發(fā)展趨勢

目前，地外天體著陸巡視探測自主智能技術(shù)的研究與應(yīng)用尚處于初級(jí)階段。面對(duì)未來深遠(yuǎn)空間極端復(fù)雜環(huán)境帶來的一系列挑戰(zhàn)，自主化與智能化已成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

本節(jié)結(jié)合型號(hào)任務(wù)需求，闡述了自主智能技術(shù)的整體發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，分別針對(duì)導(dǎo)航定位與環(huán)境感知、軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制、自主探測與路徑規(guī)劃、故障診斷與自主處理等關(guān)鍵核心技術(shù)，分析了后續(xù)重點(diǎn)發(fā)展方向。

3.1 自主智能技術(shù)的整體發(fā)展趨勢

1)算法的輕量化與自學(xué)習(xí)能力

以深度學(xué)習(xí)為代表的新一代人工智能技術(shù)，正逐步應(yīng)用于航天器系統(tǒng)的研制過程。目前，已在地面完成了多種異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)的融合與試驗(yàn)驗(yàn)證等工作?？紤]到著陸探測任務(wù)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和魯棒性等嚴(yán)苛要求，以及探測器的有限資源、算法的可靠性與可解釋性等實(shí)際約束，如何提升現(xiàn)有智能算法的準(zhǔn)確性、魯棒性、適用性，同時(shí)降低計(jì)算量，是實(shí)現(xiàn)自主智能技術(shù)工程化應(yīng)用的首要前提。

由于需要大量訓(xùn)練樣本，對(duì)于巡視任務(wù)存在的運(yùn)行環(huán)境未知多變等實(shí)際情況，需要高效結(jié)合視覺等傳感器的觀測數(shù)據(jù)，提升高價(jià)值科學(xué)目標(biāo)自主發(fā)現(xiàn)、感知與精準(zhǔn)定位的能力；根據(jù)具體運(yùn)行環(huán)境與工作模式，在線實(shí)現(xiàn)軌跡/路徑的規(guī)劃、參數(shù)的辨識(shí)與調(diào)整；利用探測器或巡視器自身的測量數(shù)據(jù)，自主實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測、準(zhǔn)確定位與高效處置。因此，提升算法在導(dǎo)航定位與環(huán)境感知、軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制、自主探測與路徑規(guī)劃、故障診斷與自主處理等方面的自學(xué)習(xí)和泛化能力，也是自主智能技術(shù)未來整體發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。

2)方案的一體化與通用化

在傳統(tǒng)的探測器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過程中，導(dǎo)航定位與環(huán)境感知、軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制、自主探測與路徑規(guī)劃、故障診斷與自主處理各個(gè)環(huán)節(jié)是相互獨(dú)立的。傳統(tǒng)的做法是首先設(shè)計(jì)好每個(gè)環(huán)節(jié)，然后進(jìn)行整合；若系統(tǒng)的整體性能不能滿足技術(shù)指標(biāo)，仍需分別對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改善，直至整體滿足要求為止。這種設(shè)計(jì)思路雖然廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，但并未考慮各環(huán)節(jié)整合串聯(lián)后綜合系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，反復(fù)的設(shè)計(jì)過程也可能增加設(shè)計(jì)成本。因此，需要從總體層面考慮系統(tǒng)的綜合性能，以實(shí)現(xiàn)感知、規(guī)劃、決策、控制等環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計(jì)，這是未來系統(tǒng)自主智能水平實(shí)現(xiàn)跨越式提升的關(guān)鍵所在。

目前，在月球、火星、小行星等不同地外天體著陸巡視任務(wù)自主智能化的需求牽引下，針對(duì)不同類別的探測器或巡視器，都有一套習(xí)慣性設(shè)計(jì)方法，尚未形成統(tǒng)一通用的方案。面對(duì)未來深遠(yuǎn)空間探測任務(wù)日益增多、任務(wù)復(fù)雜性越來越高的形勢，如何實(shí)現(xiàn)自主智能技術(shù)的通用化，并大幅度提升方案設(shè)計(jì)效率，也成為重要發(fā)展趨勢。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向

1)適用于未知開放環(huán)境的導(dǎo)航定位與環(huán)境感知技術(shù)

如何解決未知開放環(huán)境下的圖像匹配、障礙物識(shí)別與分割等難題，是導(dǎo)航定位與環(huán)境感知技術(shù)深化研究的方向。需重點(diǎn)研究基于序列圖像的自主導(dǎo)航方法，包括：基于序列圖像的可觀測性理論、基于動(dòng)力學(xué)約束的暗弱小天體識(shí)別與提取、物性未知小天體高效表征與特征魯棒匹配、基于可觀測度分析的相對(duì)導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)與誤差校正等。需重點(diǎn)突破基于多源信息融合的自主導(dǎo)航技術(shù)，包括：視覺/激光/紅外多手段一體化協(xié)同探測、非合作目標(biāo)多源數(shù)據(jù)協(xié)同融合感知、在軌狀態(tài)高精度測量與辨識(shí)等；需重點(diǎn)突破基于關(guān)鍵點(diǎn)檢測的圖像匹配技術(shù)，包括：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的圖像匹配、基于深度學(xué)習(xí)端到端訓(xùn)練的幾何變換和3D規(guī)則學(xué)習(xí)等；需重點(diǎn)突破基于深度學(xué)習(xí)的障礙物目標(biāo)檢測和圖像分割技術(shù)，包括：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的障礙物檢測算法、基于主動(dòng)交互學(xué)習(xí)的障礙物檢測算法和基于超像素圖像分割的障礙物分割方法等。

2)適用于在線輕量運(yùn)行的軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制技術(shù)

如何解決探測器燃料有限、危險(xiǎn)地形密集、通訊延遲高等約束下的地外天體安全著陸難題，是軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制需要深化研究的方向。需重點(diǎn)研究環(huán)境參數(shù)的在線估計(jì)、探測目標(biāo)自主調(diào)整規(guī)劃等方法，采用智能建模技術(shù)對(duì)探測器著陸巡視過程中的氣動(dòng)、環(huán)境等進(jìn)行在線估計(jì)辨識(shí)，并將估計(jì)結(jié)果用于模型參數(shù)的自主更新；需綜合分析著陸探測過程各個(gè)階段的飛行特點(diǎn)和約束條件，提出新的組合制導(dǎo)方案，實(shí)現(xiàn)多種成功可靠制導(dǎo)方案的優(yōu)勢互補(bǔ)；需重點(diǎn)研究精確的動(dòng)力學(xué)建模方法。

3)自主探測與路徑規(guī)劃的安全可靠提升技術(shù)

如何解決通訊窗口及數(shù)據(jù)傳輸速率等約束下的環(huán)境地形建模與感知、在線動(dòng)態(tài)路徑快速生成等難題，是自主探測與路徑規(guī)劃技術(shù)需深化研究的方向，需重點(diǎn)突破基于多源信息融合的SLAM技術(shù)，即將慣性傳感器(IMU)和視覺傳感器結(jié)合，在環(huán)境紋理較弱、由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生視野模糊及環(huán)境信息遮擋等情形下，能夠提供更好的魯棒性；需重點(diǎn)突破基于視覺和地形感知數(shù)據(jù)的整合分類技術(shù)，結(jié)合地面人員提前設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)特征及就位探測后的星壤分析，設(shè)計(jì)具備深度學(xué)習(xí)能力的科學(xué)目標(biāo)自主辨識(shí)策略，實(shí)現(xiàn)向科學(xué)探測為主的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變；以未來的月球、火星和小行星安全巡視為工程目標(biāo)，發(fā)展更通用的自主避障系統(tǒng)和方法；需重點(diǎn)研究根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參考路徑進(jìn)行在線規(guī)劃的技術(shù)，借助非線性優(yōu)化和微分幾何理論，有效克服軌跡規(guī)劃中由于維數(shù)高和非線性強(qiáng)引起的實(shí)時(shí)性弱、收斂性差等問題；需根據(jù)巡視器的實(shí)際工作狀態(tài)在線修正規(guī)劃目標(biāo)，使整體性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而確保自主探測與路徑規(guī)劃的安全性、可靠性和精確性。

4)基于數(shù)據(jù)增強(qiáng)的故障診斷與自主處理技術(shù)

如何解決不同型號(hào)探測器或巡視器在軌歷史數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品研制、測試數(shù)據(jù)未被合理開發(fā)利用、數(shù)據(jù)之間隱私保護(hù)(數(shù)據(jù)隸屬于不同研究機(jī)構(gòu)、單位或部門)的難題，是故障診斷與自主處理技術(shù)需深化研究的方向。需要重點(diǎn)研究基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)的故障診斷方法，深入融合不同任務(wù)、型號(hào)、階段的多種故障模式，以提高數(shù)據(jù)的利用率、提升診斷的準(zhǔn)確性、強(qiáng)化環(huán)境的適應(yīng)性，為系統(tǒng)重構(gòu)、故障處置等措施的有效實(shí)施提供準(zhǔn)確依據(jù)；在此基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步考慮在不共享數(shù)據(jù)的前提下，僅利用訓(xùn)練好的模型參數(shù)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)故障診斷方法的自主更新進(jìn)化，以降低數(shù)據(jù)共享風(fēng)險(xiǎn)、減小通信壓力、提高學(xué)習(xí)效率；同時(shí)，考慮到現(xiàn)有星載計(jì)算機(jī)的算力難以支持智能故障診斷與自主處理算法龐大的計(jì)算開銷，亟需突破診斷模型的等效壓縮、處置策略的快速生成等關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)地面復(fù)雜智能算法的在軌應(yīng)用。

4 結(jié)束語

近年來，自主智能技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，并在深遠(yuǎn)空間探測任務(wù)的飛越、繞飛、著陸及巡視等探測活動(dòng)中獲得了廣泛重視；同時(shí)，未來的小行星及其以遠(yuǎn)深遠(yuǎn)空間的著陸探測任務(wù)，對(duì)探測器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性提出了迫切需求，如何實(shí)現(xiàn)深空探測器自主智能運(yùn)行，已成為學(xué)者和工程師們不懈努力的目標(biāo)。

目前，地外天體著陸巡視探測自主智能技術(shù)的發(fā)展，在總體上尚處于起步階段，其實(shí)現(xiàn)途徑不同于一般的理論研究、常規(guī)的技術(shù)攻關(guān)和傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，既要基于科學(xué)原理，又要面對(duì)復(fù)雜約束，同時(shí)必須安全可靠，并最終成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。

本文以月球、火星和小天體等地外天體的著陸巡視探測任務(wù)為背景，從導(dǎo)航定位與環(huán)境感知、軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)控制、自主探測與路徑規(guī)劃、故障診斷與自主處理四個(gè)方面，分析了自主智能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及國內(nèi)外相關(guān)探測任務(wù)中的應(yīng)用情況，并對(duì)未來技術(shù)發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行了展望。