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[摘 要]火星探测器的自主导航技术，特别是基于光学敏感器的自主导航技术，是实现深空探测器自主控制的基础，是我国深空探测关键技术之一。在我国即将开始的火星探测二期工程的引领下，进行自主导航关鍵技术研究，针对火星探测的实际情况，本文就火星接近段和环火段的火星探测器光学自主导航作为辅助导航手段进行一些有益的探讨。
[关键词]深空探测 火星探测器 自主导航
中图分类号：TN96.1；TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0078-01
1 深空自主导航特点
导航是指利用某种测量方式确定航天器在当前时刻的位置和速度，航天器导航也称为轨道确定。自主导航的特点是具备自主性、实时性且不需要地面支持。而且，理想的自主导航系统只利用自带仪器测量得到的自然信息，不包括测量其他在轨飞行器或者地面站发送的信息。深空探测的远距离会导致利用地面测控站跟踪探测器的导航方式有较长时间的通讯延迟，而且GPS（Global Positioning System）不适合用于深空导航。对于未来的深空探测，必需采用自主导航与制导技术。
国内在航天器自主导航研究方面，同国外相比，主要还只是集中在理论方面，工程化研究甚少，没有实际的在轨试验数据；关注的对象还主要是近地卫星的自主导航，深空探测自主导航技术基本上还是空白。火星探测的远距离飞行导致地面测控站的无线电导航方式有较长时间的通讯延迟，而且存在不可见测控弧段，因此无线电导航方法不能完全满足星际飞行整个过程的要求。随着星载计算机、敏感器及执行部件的性能、精度和可靠性的不断提高，自主导航技术越来越受到重视和关注，已成为深空导航的重要补充。按照信息获取的方式，自主导航分为惯性导航，天文导航和光学导航三种主要方式。由于惯性测量单元存在常值偏差和漂移，导航精度较低，而天文导航的信号跟踪又比较困难。随着导航相机等光学敏感器的发展，通过图像分析能够方便的得到较高精度的角度与距离信息，于是以光学信息为主的自主导航在深空探测中得到了广泛的应用[1，2]。在我国即将开展火星探测二期工程的背景下，研究火星探测器的自主导航技术，是实现探测器自主控制的基础，也是我国深空探测关键技术之一。
2 自主导航方案
2.1 接近段基于火星图像信息的自主导航算法
从地球飞往火星的探测过程中，当探测器与火星之间距离小于火星引力的作用半径时. 即认为探测器进入到火星探测接近段的飞行过程。在接近段， 探测器受到的主要引力源是火星，此外，还应考虑太阳、地球和木星的第三体摄动引力。对于火星探测任务，根据所设计的地火转移轨道，在进入火星影响球后将进行最后一次轨道修正。该次轨道修正将决定探测器能否准确达到事先选定的B平面[3，4]内指定位置，进而制动为环火目标轨道，因此探测器最后一次轨道修正决定着任务的成败。而轨道修正效果主要取决于已知的探测器位置和速度信息是否足够准确，因此进入火星影响球后的高精度自主导航技术非常关键。
B平面坐标系，该坐标系是根据探测器相对目标天体的进入渐进线方向定义的参考坐标系：其坐标系原点为目标天体质心；B.S轴沿交汇探测器进入的渐近线方向，B.T轴沿目标天体的轨道平面与B平面交线方向，B.R轴与B.S、B.T构成右手直角坐标系。由以上定义可知B平面坐标系为惯性坐标系，其轴在惯性空间中的指向是不变的。考虑光学导航的特性，最终的动力学模型以及导航方案都在B平面坐标系下分析。
基于光学图像信息的自主导航算法，以图像处理得到的目标天体中心点像素值，为观测量，一次观测获得的将是视线方向信息。由图1所示几何关系分析可知，在相对速度矢量和观测周期已知的情况下，通过连续的两次观测，将实现对探测器相对位置的确定，此即为目标天体图像观测方案的定位原理[2]。
2.2 环绕火星阶段自主导航方案
与接近段自主导航思想相似，本文倾向的观测手段是利用导航相机获得火心矢量方向；同时利用导航相机可以测得行星视角，结合火星的半径（平均半径3398千米），可以间接得到探测器与火心之间的距离。
根据火星在导航相机面上所成的像的大小，可以通过几何解算的方法计算出探测器与火星之间的距离（见图2）。
其中：为火星半径，为敏感器焦距，的大小可以根据火星在敏感面上所成像确定。根据三角形相似原理可得：
（13）
求得后，卫星到火心的距离可由式（14）确定：
（14）
据此观测方案，进行探测器自主导航所需的动力学方程和观测模型的离散化和线性化处理[6]，进而可进行扩展卡尔曼滤波器（EKF）设计，对探测器相对火星轨道进行最优估计。
3.结束语
尽管火星探测自主导航技术的实际应用仍需进行深入的研究工作，在我国火星探测二期工程的引领下，进行自主导航关键技术研究，针对火星探测的实际情况，采用火星接近段和环火段的探测器光学自主导航作为辅助导航手段将是可行的。相信在不久的将来随着我国火星探测二期工程的推进我国的深空探测技术将突破关键，真正实现火星探测的最终目标，成为世界上掌握深空探测技术的第三强国。
参考文献
[1] S Desai， D Han， S Bhaskaran， et al. Deep Space 1 Technology Validation Report： Autonomous Optical Navigation （AutoNav） [R]. California： Jet Propulsion Laboratory， 2002.
[2] Bhaskaran S， Riedel J E， Synnott S P. Autonomous Nucleus Tracking for Comet/Asteroid Encounters： The STARDUST Example [C]// Proceedings of 1998 IEEE Aerospace Conference， Aspen， CO， 1998. USA： IEEE， 1998： 353-365.
[3] 付梦印，邓志红，张继伟.Kalman滤波理论及其在导航系统中的应用[M].北京：科学出版社，2003：45-57.
[4] 胡小平.自主导航理论与应用[M].国防科技大学出版社，2002.
[关键词]深空探测 火星探测器 自主导航
中图分类号：TN96.1；TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0078-01
1 深空自主导航特点
导航是指利用某种测量方式确定航天器在当前时刻的位置和速度，航天器导航也称为轨道确定。自主导航的特点是具备自主性、实时性且不需要地面支持。而且，理想的自主导航系统只利用自带仪器测量得到的自然信息，不包括测量其他在轨飞行器或者地面站发送的信息。深空探测的远距离会导致利用地面测控站跟踪探测器的导航方式有较长时间的通讯延迟，而且GPS（Global Positioning System）不适合用于深空导航。对于未来的深空探测，必需采用自主导航与制导技术。
国内在航天器自主导航研究方面，同国外相比，主要还只是集中在理论方面，工程化研究甚少，没有实际的在轨试验数据；关注的对象还主要是近地卫星的自主导航，深空探测自主导航技术基本上还是空白。火星探测的远距离飞行导致地面测控站的无线电导航方式有较长时间的通讯延迟，而且存在不可见测控弧段，因此无线电导航方法不能完全满足星际飞行整个过程的要求。随着星载计算机、敏感器及执行部件的性能、精度和可靠性的不断提高，自主导航技术越来越受到重视和关注，已成为深空导航的重要补充。按照信息获取的方式，自主导航分为惯性导航，天文导航和光学导航三种主要方式。由于惯性测量单元存在常值偏差和漂移，导航精度较低，而天文导航的信号跟踪又比较困难。随着导航相机等光学敏感器的发展，通过图像分析能够方便的得到较高精度的角度与距离信息，于是以光学信息为主的自主导航在深空探测中得到了广泛的应用[1，2]。在我国即将开展火星探测二期工程的背景下，研究火星探测器的自主导航技术，是实现探测器自主控制的基础，也是我国深空探测关键技术之一。
2 自主导航方案
2.1 接近段基于火星图像信息的自主导航算法
从地球飞往火星的探测过程中，当探测器与火星之间距离小于火星引力的作用半径时. 即认为探测器进入到火星探测接近段的飞行过程。在接近段， 探测器受到的主要引力源是火星，此外，还应考虑太阳、地球和木星的第三体摄动引力。对于火星探测任务，根据所设计的地火转移轨道，在进入火星影响球后将进行最后一次轨道修正。该次轨道修正将决定探测器能否准确达到事先选定的B平面[3，4]内指定位置，进而制动为环火目标轨道，因此探测器最后一次轨道修正决定着任务的成败。而轨道修正效果主要取决于已知的探测器位置和速度信息是否足够准确，因此进入火星影响球后的高精度自主导航技术非常关键。
B平面坐标系，该坐标系是根据探测器相对目标天体的进入渐进线方向定义的参考坐标系：其坐标系原点为目标天体质心；B.S轴沿交汇探测器进入的渐近线方向，B.T轴沿目标天体的轨道平面与B平面交线方向，B.R轴与B.S、B.T构成右手直角坐标系。由以上定义可知B平面坐标系为惯性坐标系，其轴在惯性空间中的指向是不变的。考虑光学导航的特性，最终的动力学模型以及导航方案都在B平面坐标系下分析。
基于光学图像信息的自主导航算法，以图像处理得到的目标天体中心点像素值，为观测量，一次观测获得的将是视线方向信息。由图1所示几何关系分析可知，在相对速度矢量和观测周期已知的情况下，通过连续的两次观测，将实现对探测器相对位置的确定，此即为目标天体图像观测方案的定位原理[2]。
2.2 环绕火星阶段自主导航方案
与接近段自主导航思想相似，本文倾向的观测手段是利用导航相机获得火心矢量方向；同时利用导航相机可以测得行星视角，结合火星的半径（平均半径3398千米），可以间接得到探测器与火心之间的距离。
根据火星在导航相机面上所成的像的大小，可以通过几何解算的方法计算出探测器与火星之间的距离（见图2）。
其中：为火星半径，为敏感器焦距，的大小可以根据火星在敏感面上所成像确定。根据三角形相似原理可得：
（13）
求得后，卫星到火心的距离可由式（14）确定：
（14）
据此观测方案，进行探测器自主导航所需的动力学方程和观测模型的离散化和线性化处理[6]，进而可进行扩展卡尔曼滤波器（EKF）设计，对探测器相对火星轨道进行最优估计。
3.结束语
尽管火星探测自主导航技术的实际应用仍需进行深入的研究工作，在我国火星探测二期工程的引领下，进行自主导航关键技术研究，针对火星探测的实际情况，采用火星接近段和环火段的探测器光学自主导航作为辅助导航手段将是可行的。相信在不久的将来随着我国火星探测二期工程的推进我国的深空探测技术将突破关键，真正实现火星探测的最终目标，成为世界上掌握深空探测技术的第三强国。
参考文献
[1] S Desai， D Han， S Bhaskaran， et al. Deep Space 1 Technology Validation Report： Autonomous Optical Navigation （AutoNav） [R]. California： Jet Propulsion Laboratory， 2002.
[2] Bhaskaran S， Riedel J E， Synnott S P. Autonomous Nucleus Tracking for Comet/Asteroid Encounters： The STARDUST Example [C]// Proceedings of 1998 IEEE Aerospace Conference， Aspen， CO， 1998. USA： IEEE， 1998： 353-365.
[3] 付梦印，邓志红，张继伟.Kalman滤波理论及其在导航系统中的应用[M].北京：科学出版社，2003：45-57.
[4] 胡小平.自主导航理论与应用[M].国防科技大学出版社，2002.