深空探測自主導航方案

根據不同的飛行階段，深空探測器飛行可以分為發射段、分離段、巡航段、捕獲段、環繞段、著陸段、巡視段等階段，其中發射段距離地面最近，通常采用地面無線電測控技術，不需要自主導航。在其他不同的飛行階段，由于探測器所處的空間環境不同，因此自主導航所用導航敏感器、觀測對象、圖像處理方法以及信息融合算法也不盡相同。

分離段。為了及時修正深空探測器入軌偏差，保證后續巡航及交會等階段的任務精度，需要精確確定探測器從地球停泊軌道逃逸后的軌道姿態運動狀態。在逃逸分離段，地球和月球是探測器的最佳導航目標天體，因此分離段的自主導航系統主要采用基于地月及星光信息的自主導航。定姿方面使用星光觀測結合慣性元件完成。

巡航段。巡航階段，探測器運行在地球與探測目標天體之間的廣闊空間，與地球及目標天體相距都在104km以上。由于與主要引力體相距遙遠，且巡航階段運行時間長，慣性導航測量僅適用于該階段姿態確定以及中途修正的機動測量。天文導航和圖像視覺導航是滿足該階段全程應用可行的方案，其中天文導航應用范圍更廣、成本更低，可靠性更高，因此已在多個深空探測任務巡航段飛行中獲得應用。巡航軌道附近的行星、小行星甚至彗星都可作為導航觀測目標，如深空1號的自主導航方法。

捕獲段。在接近目標天體的捕獲段，探測器與地球距離遠、飛行速度快，持續時間比較短，依賴地面導航方法對深空探測器進行導航在實時性、覆蓋性、可靠性等諸多方面受到限制，難以滿足探測器捕獲段對高精度實時導航的迫切要求。在此階段，探測器距離目標天體較近，目標天體觀測十分方便，因此使用天文敏感器連續攝取目標天體及其周圍天體的圖像信息，經圖像處理后提取天體在敏感器成像面上的質心，結合探測器的慣性姿態和目標天體的星歷確定探測器相對目標天體的軌道和姿態，以修正探測器軌道偏差，確保探測器順利入軌。

環繞段。與捕獲段類似，在探測器環繞段中，地面無線電雙向時延大，地面基線短，因此依賴地面信號的導航方法無法用于探測器高精度導航。此外，環繞段還受到目標天體背面不可見因素的影響，天文自主導航方法存在導航信息缺失的區間。因此，為了提高環繞段自主導航精度和穩定性，利用探測器飛行動力學作為導航系統遞推模型，以目標天體的視半徑和中心指向等信息作為天文量測信息，估計軌道參數，從而實現探測器環繞段精確導航。

于1971年5月發射的水手9號火星探測器驗證了捕獲段和環繞段的自主導航技術。星上攝像機拍攝到的恒星背景下的火衛一和火衛二的科學圖像被用于實時導航，幫助探測器順利完成了火星捕獲段和環繞段的導航任務。

著陸段。在深空探測器自主著陸或附著過程中，探測器需要根據目標天體的表面情況，自主選擇安全著陸點，因此對探測器導航系統的精度和實時性要求很高。單純依靠一種導航手段難以滿足精度和實時性的要求。在此階段，對地距離、速度及三維地形圖像信息是容易獲取的導航量測信息。因此，著陸段以慣性測量單元為核心導航敏感器，配以距離/速度/圖像測量信息對慣性導航結果進行修正，可實現探測器精確著陸和自主避障。

我國的“嫦娥三號”自主導航系統就配備了慣性測量單元（IMU）、激光測距敏感器、微波測距敏感器、光學成像敏感器、激光三維成像敏感器，它利用多種敏感器的信息實現了探測器精確軟著陸并自主避障。