本世紀(jì)初，國務(wù)院發(fā)布了《中國的航天》白皮書，明確提出了我國開展以月球探測為主的深空探測發(fā)展目標(biāo)。在“人民科學(xué)家”葉培建院士等老一輩科學(xué)家的帶領(lǐng)下，以嫦娥一號(hào)為開端，通過嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)、嫦娥五號(hào)T1 和嫦娥四號(hào)任務(wù)的連續(xù)成功，保障了我國探月工程“繞、落、回”三步走目標(biāo)的順利完成。以火星著陸巡視、小行星取樣返回等任務(wù)為牽引，通過自主運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破，開啟了我國由月球探測向深空探測進(jìn)軍的新篇章。

深空探測任務(wù)中探測目標(biāo)遠(yuǎn)、飛行時(shí)間長、所處環(huán)境動(dòng)態(tài)多變等特點(diǎn)，導(dǎo)致深空探測航天器的操作和控制與近地軌道航天器存在很大區(qū)別，例如上傳指令延遲大、地面測控精度差、數(shù)據(jù)傳輸碼率低、安全自主保證難等。目前傳統(tǒng)的“地面測控站——航天器”大回路操作控制模式，嚴(yán)重限制了深空探測任務(wù)的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性。

自主運(yùn)行技術(shù)是解決上述問題的有效途徑，已成為未來深空探測技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。自主運(yùn)行技術(shù)即是在深空探測航天器上構(gòu)建一套精度高、自主性強(qiáng)、安全可靠的運(yùn)行管理系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人參與情況下的自主安全運(yùn)行，具體任務(wù)是根據(jù)飛行階段和周圍環(huán)境，自主開展工程任務(wù)與科學(xué)任務(wù)的調(diào)度規(guī)劃、感知導(dǎo)航、命令執(zhí)行、器上狀態(tài)監(jiān)測與故障時(shí)的系統(tǒng)重構(gòu)，確保實(shí)現(xiàn)深空探測航天器的安全可靠自主運(yùn)行。

針對(duì)深空探測任務(wù)實(shí)現(xiàn)自主化的根本需求，在自主運(yùn)行技術(shù)的大方向下，以月球探測、火星探測和小行星探測等任務(wù)為背景，本文提煉了具有共性和挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題與技術(shù)難題，圍繞“自主導(dǎo)航、自主制導(dǎo)控制、自主任務(wù)規(guī)劃、自主診斷重構(gòu)”四個(gè)方面開展了深入的研究攻關(guān)和具體的應(yīng)用實(shí)踐，解決了一系列實(shí)際需求和難題，已應(yīng)用于我國嫦娥系列月球探測器和火星探測器等任務(wù)中。

本文后續(xù)內(nèi)容將從“自主導(dǎo)航、自主制導(dǎo)與控制、自主任務(wù)規(guī)劃、自主故障診斷與重構(gòu)”四個(gè)方面，重點(diǎn)對(duì)深空探測航天器自主運(yùn)行技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述；針對(duì)我國深空探測后續(xù)任務(wù)實(shí)施的具體需求，提出未來深空探測航天器自主運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展方向和研究內(nèi)容。

目前航天器通常依靠地面站的無線電測控進(jìn)行導(dǎo)航，但對(duì)于深空探測航天器而言，由于探測目標(biāo)遠(yuǎn)、通信時(shí)延大，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量。因此，為保證深空探測航天器能安全、準(zhǔn)確地完成探測任務(wù)，要求其必須具有極強(qiáng)的自主導(dǎo)航能力。自主導(dǎo)航技術(shù)不僅是深空探測航天器安全的重要保證，也是地面測控的有效補(bǔ)充。

自主導(dǎo)航技術(shù)指的是，不與外界進(jìn)行信息傳輸和交換、不依賴于地面設(shè)備的定位導(dǎo)航技術(shù)，如圖 1 所示。

圖 1 傳統(tǒng)導(dǎo)航與自主導(dǎo)航技術(shù)的對(duì)比示意圖

自主導(dǎo)航技術(shù)按其獲得信息方法主要可以分為慣性導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、天文導(dǎo)航和組合導(dǎo)航四類。

(1) 慣性導(dǎo)航：發(fā)展較成熟，由慣性測量單元 IMU（主要包括加速度計(jì)、陀螺儀等）和計(jì)算機(jī)組成。慣導(dǎo)系統(tǒng)將測量的加速度或速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分得到位置信息。

(2) 光學(xué)導(dǎo)航：通過測量深空探測航天器相對(duì)于目標(biāo)天體的斜距、斜距速度，或者測量目標(biāo)天體的視角半徑、表面圖像，運(yùn)用一定的數(shù)據(jù)處理或圖像處理來估計(jì)深空探測航天器的軌道和姿態(tài)信息。

(3) 天文導(dǎo)航：通過測量已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律的天體（稱為參考天體，如太陽、月球、其他行星等）相對(duì)于某基準(zhǔn)面的高度角和方位角來確定探測器的軌道和姿態(tài)信息的方法。已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律的天體主要分為太陽和行星、小行星和行星衛(wèi)星、脈沖星三大類。天文導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴于地面設(shè)備，也是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航精度高，不僅適用于短距離探測，也適用于遠(yuǎn)距離的探測。天文導(dǎo)航的關(guān)鍵問題是參考天體的測量值信號(hào)不能太弱。

(4) 組合導(dǎo)航：為了能充分發(fā)揮各種導(dǎo)航方式的特點(diǎn)，往往將幾種導(dǎo)航方法組成一體進(jìn)行自主導(dǎo)航，達(dá)到取長補(bǔ)短、綜合發(fā)揮各種導(dǎo)航方式優(yōu)勢的目的。目前發(fā)展的自主導(dǎo)航系統(tǒng)大多是組合導(dǎo)航系統(tǒng)。深空探測任務(wù)常見的組合導(dǎo)航方式為，在地球逃逸段，采用慣性導(dǎo)航和光學(xué)導(dǎo)航的組合導(dǎo)航方式，用光學(xué)導(dǎo)航校準(zhǔn)慣性基準(zhǔn)；在日心過渡軌道段則可利用光學(xué)導(dǎo)航來完成；在最后的接近段，采用光學(xué)導(dǎo)航和器載雷達(dá)導(dǎo)航相結(jié)合方式，以達(dá)到改善精度的目的。

在深空探測航天器自主導(dǎo)航技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，我國取得了一系列顯著的成果。

(1) 嫦娥二號(hào)衛(wèi)星在地月轉(zhuǎn)移軌道段末期，開展了我國首次深空探測自主導(dǎo)航試驗(yàn)。結(jié)果

表明，自主導(dǎo)航可滿足接近軌道修正的需要，相對(duì)基準(zhǔn)誤差校正，可顯著提高接近導(dǎo)航精度。

(2) 嫦娥三號(hào)月球探測器利用光學(xué)圖像，首次實(shí)現(xiàn)了著陸過程的自主障礙識(shí)別與避障。針對(duì)月球軟著陸任務(wù)面臨的“復(fù)雜月面環(huán)境、動(dòng)態(tài)振動(dòng)條件下的高精度自主導(dǎo)航”難題，通過優(yōu)化變系數(shù)門限的容錯(cuò)修正方案，解決了多信息源有效性動(dòng)態(tài)監(jiān)測和最優(yōu)融合問題；針對(duì)月球軟著陸任務(wù)最核心的“安全、自主障礙識(shí)別和規(guī)避”問題，基于在軌圖像的自主避障方法，在軟著陸接近段基于二維圖像進(jìn)行障礙識(shí)別和粗避障，在懸停段基于三維圖像進(jìn)行障礙識(shí)別并完成精確避障，保證了探測器的著陸安全。

(3) 嫦娥四號(hào)月球探測器成功著陸在月球背面，首次基于序列圖像實(shí)現(xiàn)了月球背面崎嶇、未知地形環(huán)境下的高精度自主避障軟著陸。相比于嫦娥三號(hào)任務(wù)的月球正面虹灣區(qū)域著陸，月球背面地形地貌以高地為主，地形較為崎嶇，復(fù)雜的地形條件對(duì)著陸過程的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制都帶來了更大的挑戰(zhàn)。針對(duì)崎嶇地形可能帶來的敏感器數(shù)據(jù)異常問題，嫦娥四號(hào)采用了基于多測速敏感器和慣性敏感器的導(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，而測距測速敏感器通過源信息融合的多波束測距測速修正融合方法，建立了自主導(dǎo)航容錯(cuò)計(jì)算框架，從而實(shí)現(xiàn)了異常測量數(shù)據(jù)快速篩選與隔離、多波束測量信息的魯棒融合，顯著提高了著陸導(dǎo)航的可靠性。

自主制導(dǎo)控制技術(shù)指的是，深空探測航天器不依賴地面，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)測量、軌道測量、確定或生成在控制力作用下的飛行規(guī)律并自主進(jìn)行姿態(tài)控制和軌道控制。

深空探測航天器與地面測控站通信延遲大，且信號(hào)有可能會(huì)被太陽及其他天體遮擋，不利于突發(fā)事件的及時(shí)處理。因此，自主制導(dǎo)控制技術(shù)是解決突發(fā)事件、保證深空探測航天器安全的重要手段。

美國 JPL 實(shí)驗(yàn)室對(duì)火星軟著陸障礙規(guī)避技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一套火星著陸的障礙規(guī)避方法。著陸器根據(jù)障礙檢測所得到的局部地形情況，選擇出安全著陸區(qū)域，并根據(jù)探測器當(dāng)前的位置、速度，期望達(dá)到的位置、速度和加速度規(guī)劃一條障礙規(guī)避軌跡，控制探測器沿此軌跡下降，實(shí)現(xiàn)了精確安全著陸。

針對(duì)不規(guī)則弱引力小天體的著陸自主制導(dǎo)控制問題，美國 JPL 實(shí)驗(yàn)室針對(duì)小天體表面地形的特點(diǎn)，發(fā)展了基于計(jì)算機(jī)視覺的小天體著陸方法，通過跟蹤可見的特征點(diǎn)和識(shí)別路標(biāo)來達(dá)到探測器的精確制導(dǎo)和避障。日本通過“隼鳥 1 號(hào)”任務(wù)，驗(yàn)證了利用光學(xué)測量實(shí)現(xiàn)自主著陸小行星的自主導(dǎo)航和制導(dǎo)方案。NASA 的“歐西里斯”小行星任務(wù)，針對(duì)下降著陸段導(dǎo)航中的自然特征點(diǎn)跟蹤地形匹配的局限性，提出了適應(yīng)照明變化和小天體表面反射率不同的魯棒地形相對(duì)導(dǎo)航方法，在仿真實(shí)驗(yàn)中取得了良好效果。即將在軌進(jìn)行實(shí)際演練。

我國在深空探測航天器自主制導(dǎo)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，取得了一系列顯著的成果。

(1) 在嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)中，針對(duì)“飛行控制任務(wù)復(fù)雜多變，對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道控制實(shí)時(shí)性、可靠性和精度要求較高”等具體需求，在總體、控制分系統(tǒng)等設(shè)計(jì)中采取了多項(xiàng)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。具有代表性的成果主要包括：針對(duì)奔月軌道控制需求，設(shè)計(jì)了在線規(guī)劃調(diào)度、星敏感器與陀螺聯(lián)合定姿算法、基于四元數(shù)的高品質(zhì)相平面控制算法、高精度和高可靠關(guān)機(jī)策略等新的自主制導(dǎo)與控制方法。針對(duì)“近月制動(dòng)控制具有唯一時(shí)機(jī)特征并關(guān)系任務(wù)成敗”的關(guān)鍵難題，建立了國內(nèi)首個(gè)適應(yīng)復(fù)雜變軌、高精度高自主三體指向的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)“容錯(cuò)組合重構(gòu)、自主恢復(fù)功能”的高可靠變軌控制設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與框架，突破實(shí)現(xiàn)了自主可恢復(fù)的變軌控制技術(shù)，化解了由于制動(dòng)異常而導(dǎo)致飛掠月球任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 在嫦娥三號(hào)月球軟著陸探測器設(shè)計(jì)中，利用自適應(yīng)動(dòng)力顯式制導(dǎo)、無迭代多項(xiàng)式粗避障制導(dǎo)，以及內(nèi)外環(huán)結(jié)合的精避障制導(dǎo)等方法，實(shí)現(xiàn)了軟著陸過程的自主制導(dǎo)。

(3) 在嫦娥四號(hào)月球軟著陸探測器設(shè)計(jì)中，針對(duì)崎嶇地形帶來的導(dǎo)航高度急劇變化所導(dǎo)致的制導(dǎo)控制狀態(tài)不穩(wěn)定問題，以及崎嶇地形帶來的精確避障需求，采用了一種將垂直接近和精確避障相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了月球背面崎嶇地形的精確避障和安全著陸。

自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)指的是，根據(jù)深空探測航天器自身的能力和狀態(tài)、對(duì)空間環(huán)境的感知認(rèn)識(shí)，以及各種約束條件自主規(guī)劃飛行任務(wù)，形成控制策略來控制航天器，以完成各種任務(wù)要求的技術(shù)。

自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)分為規(guī)劃和調(diào)度兩個(gè)過程，規(guī)劃是從某個(gè)特定的問題狀態(tài)出發(fā)，尋求一系列行為動(dòng)作，并建立一個(gè)操作序列，執(zhí)行這個(gè)序列能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)狀態(tài)；調(diào)度是在計(jì)劃己經(jīng)制定好之后，為計(jì)劃中的各種動(dòng)作分配合理的資源和時(shí)間，解決現(xiàn)實(shí)世界中的各種約束關(guān)系，協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作，以確保任務(wù)能正確完成。規(guī)劃的主要目的是尋求操作序列，而調(diào)度負(fù)責(zé)為這些操作分配資源和時(shí)間。

美國 JPL 實(shí)驗(yàn)室采用經(jīng)典規(guī)劃調(diào)度算法開發(fā)的自主規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)與規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng)的模塊化，并在“地球觀測 1 號(hào)”衛(wèi)星上得到了成功的應(yīng)用；美國 Colorado Space Grant 學(xué)院，基于貪婪算法，提出了一種在軌衛(wèi)星最大化任務(wù)數(shù)量下的任務(wù)規(guī)劃調(diào)度方法，開發(fā)了自動(dòng)規(guī)劃 / 調(diào)度系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于 STS-85 航天飛機(jī)；NASA 根據(jù)啟發(fā)式搜索方法，開發(fā)了航天器任務(wù)規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng) EUROPA，并應(yīng)用于 “勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”火星車等多個(gè)型號(hào)任務(wù)。

典型的深空探測航天器自主規(guī)劃系統(tǒng)主要包括任務(wù)規(guī)劃調(diào)度模塊、指令管理模塊和探測器任務(wù)約束模型三個(gè)組成部分，具體如圖2所示。

圖 2 深空探測航天器的自主規(guī)劃系統(tǒng)組成

我國在深空探測航天器自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，取得了一系列顯著的成果。

(1) 在嫦娥一號(hào)和嫦娥二號(hào)月球探測任務(wù)中，采用了多級(jí)遞階控制的技術(shù)方法，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃、信息管理、資源管理及安全管理四方面頂層需求及相互約束，從系統(tǒng)全局統(tǒng)籌設(shè)計(jì)了基于多級(jí)控制結(jié)構(gòu)的星載信息網(wǎng)絡(luò)體制和分系統(tǒng)協(xié)同工作模式，可靠實(shí)現(xiàn)了測控、應(yīng)急安全等子任務(wù)的自主管理。采用熱控、電源和軌道聯(lián)合優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度多模式自主控制和電源充放電高效自主管理，解決了長時(shí)間陰影下系統(tǒng)自主運(yùn)行的難題，使嫦娥衛(wèi)星自主安全可靠地度過了月食。

(2) 在嫦娥四號(hào)月球探測任務(wù)中，動(dòng)力下降段需要深空探測航天器在約 700 s 內(nèi)把距離月面高度從 15 km 降低到 0 m，速度從 1.7 km/s 減小到 0 m/s，姿態(tài)從 90° 調(diào)整到 0°，這是一個(gè)軌道、姿態(tài)密切耦合的高動(dòng)態(tài)變化過程。經(jīng)過精細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該過程子任務(wù)的自主完成。同時(shí)，為確保著陸過程不同姿態(tài)下中繼鏈路的可用性和著陸后整器安全，結(jié)合飛行軌跡與姿態(tài)，針對(duì)動(dòng)力下降過程對(duì)中繼星測控?cái)?shù)傳鏈路自主模式切換的策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了子任務(wù)級(jí)的自主規(guī)劃實(shí)施。

自主診斷重構(gòu)技術(shù)指的是深空探測航天器不依賴地面，僅靠自身攜帶的多種測量裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及構(gòu)建的解析冗余關(guān)系等，自主地實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離，并根據(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、或控制算法等方式應(yīng)對(duì)與處理故障，以恢復(fù)系統(tǒng)全部或部分既定功能的技術(shù)手段。

目前大多數(shù)航天器還是由“地上人”監(jiān)測“天上星”，即采用“天地大回路”的方式診斷與處理故障：當(dāng)航天器檢測到系統(tǒng)異常后，通過遙控遙測將數(shù)據(jù)傳輸給地面測控站；通過人工判讀、專家會(huì)診的方式對(duì)故障進(jìn)行分析和確診后，再將處理結(jié)果通過指令的形式上注給航天器。然而，上述傳統(tǒng)的故障診斷重構(gòu)技術(shù)無法滿足深空探測航天器自主運(yùn)行的迫切需求。

為了確保航天器安全可靠自主運(yùn)行，在以往的型號(hào)研制和方法研究過程中，主要集中在故障發(fā)生的“兩頭”，即在故障發(fā)生之前，重點(diǎn)關(guān)注零部件的可靠性增長問題。然而，受加工、制造和裝配等客觀因素影響，提升零部件可靠性的能力有限，而且選用高可靠性的零部件并不能保證系統(tǒng)的可靠性最高；同時(shí)，高可靠性不能保證系統(tǒng)一定不發(fā)生故障。因此，該技術(shù)手段只是降低了故障的發(fā)生概率，且存在費(fèi)效比偏高的問題。

另外，在故障發(fā)生之后，主要集中在診斷重構(gòu)的算法研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有代表性的成果包括：在深空探測領(lǐng)域，美國的 DS-1 深空探測器，基于模型的故障診斷方法，并利用人工智能技術(shù)，在軌進(jìn)行故障的識(shí)別和定位，以及系統(tǒng)的模式重構(gòu)；在遙感領(lǐng)域，美國的 Landsat衛(wèi)星、法國的 SPOT 衛(wèi)星等均都具備了不同程度的自主故障診斷與重構(gòu)能力；在載人航天領(lǐng)域，美國的 Apollo 載人飛船和俄羅斯的 Soyuz飛船，通過多硬件的冗余備份，達(dá)到了“一重故障保工作，雙重故障保安全”的目標(biāo)。

我國在深空探測航天器自主診斷重構(gòu)技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，取得了一系列顯著的成果。

(1) 嫦娥一號(hào)深空探測航天器，根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了“天線展開控制監(jiān)控與應(yīng)急操作、整星應(yīng)急控制、復(fù)位／切機(jī)后自主恢復(fù)操作”等自主故障診斷策略，增加了深空探測航天器在軌的生存能力和可靠性。

(2) 嫦娥四號(hào)深空探測航天器，基于月球背面軟著陸任務(wù)的特點(diǎn)，將原本依賴地面的基于人工判斷處理的方式改變?yōu)槠魃献灾鞯剡M(jìn)行診斷與執(zhí)行。在部件級(jí)層面，重點(diǎn)針對(duì)推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、陀螺、加速度計(jì)、測距敏感器、測速敏感器等關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)了自主故障診斷與重構(gòu)算法；在系統(tǒng)級(jí)層面，重點(diǎn)針對(duì)導(dǎo)航、姿控等關(guān)鍵分系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了自主故障定位與重構(gòu)策略，極大提升了航天器系統(tǒng)故障的自主能力。

目前，我國航天器已逐步從關(guān)注分系統(tǒng)故障診斷與重構(gòu)能力，轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)級(jí)的狀態(tài)監(jiān)測、以及故障預(yù)測與修復(fù)，并初步形成了集成的航天器健康管理系統(tǒng)，進(jìn)而可以從頂層實(shí)現(xiàn)的角度確保任務(wù)的順利執(zhí)行。值得一提的是，不同于傳統(tǒng)抓“兩頭”的研究思路，從 2003 年開始，在多項(xiàng)國家級(jí)和省部級(jí)預(yù)研項(xiàng)目的支持下，本項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)航天器自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)在軌實(shí)施受限的關(guān)鍵核心在于——對(duì)航天器系統(tǒng)的診斷重構(gòu)能力認(rèn)知不清，即缺乏相關(guān)的理論方法表征、判定和量化系統(tǒng)的可診斷性與可重構(gòu)性。以此為出發(fā)點(diǎn)，項(xiàng)目組突破了航天器控制系統(tǒng)自主故障診斷與重構(gòu)亟需解決的重大基礎(chǔ)問題和技術(shù)難題，改變了傳統(tǒng)航天器故障診斷與重構(gòu)設(shè)計(jì)理念，將以往僅關(guān)注后端的診斷重構(gòu)算法，轉(zhuǎn)變?yōu)樵谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)之初就進(jìn)行可診斷性與可重構(gòu)性研究。提出創(chuàng)建的可診斷性與可重構(gòu)性理論和方法是表征系統(tǒng)故障診斷與重構(gòu)能力的本質(zhì)屬性，基于此發(fā)明的可診斷性與可重構(gòu)性評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)技術(shù)，是從根本上提升控制系統(tǒng)自主故障診斷與重構(gòu)能力的重要手段，是保障深空探測任務(wù)的順利實(shí)施與完成的關(guān)鍵核心。

我國未來深空探測任務(wù)可能要開展月球永久陰影區(qū)探測、小行星采樣返回探測、火星采樣返回探測、木星系及行星際穿越探測、太陽系邊際探測等一系列深空探測活動(dòng)。隨著上述任務(wù)的實(shí)施，將開拓我國深空探測的深度和廣度，獲取重大原創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)我國航天技術(shù)跨越式提升，有力推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用全面發(fā)展。

面向我國未來深空探測重大戰(zhàn)略需求，在深空探測航天器的自主運(yùn)行技術(shù)領(lǐng)域開展基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性的科學(xué)技術(shù)研究和核心技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)一步深入探索研究以下 4 個(gè)發(fā)展方向，引領(lǐng)我國深空探測航天器自主化技術(shù)水平的跨越發(fā)展。

5.1 適應(yīng)深空物性未知環(huán)境的自主導(dǎo)航方法

后續(xù)深空探測任務(wù)將探測一些人類認(rèn)知極其有限的目標(biāo)天體，主要面臨的難題是目標(biāo)天體的先驗(yàn)知識(shí)缺失或者不完備，如引力模型、大氣環(huán)境、表面地形等任務(wù)設(shè)計(jì)所必需的要素。同時(shí)“定點(diǎn)著陸、采樣返回”等科學(xué)探測任務(wù)需求對(duì)自主導(dǎo)航的功能性能要求越來越高。如何解決未知環(huán)境下高精度控制的難題，是自主導(dǎo)航技術(shù)需深化研究的方向。

(1) 研究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)同探測技術(shù)、非合作目標(biāo)多源數(shù)據(jù)協(xié)同融合感知技術(shù)、在軌狀態(tài)高精度測量與辨識(shí)技術(shù)等；

(2) 研究基于序列圖像的自主導(dǎo)航技術(shù)，包括基于序列圖像的可觀測性理論方法、基于動(dòng)力學(xué)約束的暗弱小天體識(shí)別與提取方法、物性未知小天體高效表征與特征魯棒匹配方法、基于可觀測度分析的相對(duì)導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)與誤差校正方法等。

5.2 深空復(fù)雜不確定性環(huán)境下自主制導(dǎo)控制方法

不同于地球和月球，后續(xù)深空探測任務(wù)的飛行環(huán)境更為復(fù)雜、先驗(yàn)知識(shí)匱乏、不確定性強(qiáng)，而且深空探測器與地面測控站通信延遲大、通訊信號(hào)易被其他天體遮擋，因此星上需要根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境自主進(jìn)行姿態(tài)和軌道控制。目前深空探測器控制系統(tǒng)是將制導(dǎo)回路與控制回路分開進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒有考慮制導(dǎo)與控制回路之間的耦合性，后續(xù)深空任務(wù)應(yīng)用場景中（如火星探測大氣進(jìn)入過程），姿軌控的強(qiáng)耦合性更大，產(chǎn)生的制導(dǎo)指令易超過控制系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)范圍。因此，針對(duì)更為遙遠(yuǎn)、更為復(fù)雜的深空探測任務(wù)需求，需進(jìn)一步提升制導(dǎo)控制方法的自主性和魯棒性。

(1) 針對(duì)空間環(huán)境下星上計(jì)算資源、感知和控制能力嚴(yán)重受限而環(huán)境不確定性和干擾性強(qiáng)的約束，研究結(jié)構(gòu)簡單能在線自主生成的魯棒制導(dǎo)與控制方法；

(2) 針對(duì)如深空天體大氣進(jìn)入過程等飛行環(huán)境復(fù)雜，制導(dǎo)與控制系統(tǒng)模型具有強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合性的深空探測任務(wù)，研究完善且適用性強(qiáng)的魯棒制導(dǎo)與控制一體化設(shè)計(jì)方法，在理論上確保制導(dǎo)和控制系統(tǒng)整體上的穩(wěn)定性。

5.3 系統(tǒng)多維約束空間內(nèi)的高效自主任務(wù)規(guī)劃方法

后續(xù)小行星、木星系等深空探測任務(wù)探測距離更遠(yuǎn)，航天器與地面站的通信延遲達(dá)數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)。特別是當(dāng)外部環(huán)境或航天器狀態(tài)發(fā)生超出預(yù)期突變時(shí)，如果通過地面站進(jìn)行遙測遙控和任務(wù)重規(guī)劃，必將耗時(shí)極多，甚至影響整個(gè)探測任務(wù)的成敗。因此，未來的深空探測航天器必須具備更強(qiáng)的自主任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度能力。在有限的器載資源和嚴(yán)格的執(zhí)行時(shí)間等復(fù)雜約束條件下，探測器不僅需要進(jìn)行活動(dòng)的自主選擇和排序，而且還需要對(duì)資源、時(shí)間進(jìn)行合理分配和優(yōu)化，從而快速、準(zhǔn)確地生成規(guī)劃序列。

(1) 建立適合深空探測領(lǐng)域的規(guī)劃知識(shí)建模方法，實(shí)現(xiàn)多種知識(shí)的統(tǒng)一表達(dá)，便于知識(shí)挖掘，縮小問題空間；

(2) 在由不同子系統(tǒng)特性組成的多維規(guī)劃知識(shí)空間內(nèi)，利用星上有限的計(jì)算資源，研究高效的知識(shí)搜索和推理方法，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的任務(wù)規(guī)劃；

(3) 考慮因果關(guān)系和活動(dòng)之間的多種約束條件，以及深空環(huán)境的動(dòng)態(tài)不確定性，研究約束處理方法和定量信息處理方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜約束條件和不確定性環(huán)境下的自主任務(wù)規(guī)劃。

5.4 基于可診斷性與可重構(gòu)性理論指導(dǎo)的自主診

斷重構(gòu)方法由于后續(xù)火星著陸巡視、小行星采樣返回等深空探測任務(wù)存在距離遠(yuǎn)、延時(shí)大、信息交互難、不確定性強(qiáng)等技術(shù)難題，這使得現(xiàn)有方法難以滿足自主診斷重構(gòu)的時(shí)效性、安全性和可靠性要求。因此，如何進(jìn)一步提升深空探測航天器故障診斷的識(shí)別精度和快速性，同時(shí)在保證故障后功能不變的情況下降低重構(gòu)能耗，是后續(xù)亟需深化研究的具體問題。

(1) 將目前關(guān)于航天器控制分系統(tǒng)的可診斷性與可重構(gòu)性成果進(jìn)一步研究推廣應(yīng)用于航天器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整器自主診斷重構(gòu)能力的可表征、可判定及可量化；

(2) 針對(duì)多因素耦合作用下系統(tǒng)診斷能力的精準(zhǔn)度量與綜合優(yōu)化等難題，研究基于解析冗余關(guān)系與相似度的可診斷性評(píng)價(jià)、系統(tǒng)配置與診斷策略的一體化設(shè)計(jì)等方法；

(3) 針對(duì)復(fù)雜多目標(biāo)約束下系統(tǒng)重構(gòu)能力的精細(xì)度量與強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)等難題，研究基于多目標(biāo)的可重構(gòu)性綜合評(píng)價(jià)、面向時(shí)間與空間雙維度的可重構(gòu)性協(xié)同設(shè)計(jì)等方法。

航天器這一典型的自主無人系統(tǒng)，一直以來都是依賴地面進(jìn)行操控與協(xié)同。對(duì)于更為遙遠(yuǎn)的深空探測航天器而言，實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行是學(xué)者和工程師們的不懈追求。本項(xiàng)目組一直致力于探究制約深空探測航天器自主運(yùn)行技術(shù)的科學(xué)問題內(nèi)涵；針對(duì)航天器這一類資源嚴(yán)重受限、不易在軌維護(hù)的空間無人系統(tǒng)，力求以系統(tǒng)觀測、診斷和重構(gòu)能力的定性判定和定量表達(dá)為突破口，以星上最低資源占用且不依賴任何人造信標(biāo)為約束條件，去自主完成深空探測的使命任務(wù)。

深空探測航天器自主運(yùn)行技術(shù)的實(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。

（參考文獻(xiàn)略）

選自《中國人工智能學(xué)會(huì)通訊》

2021年第11卷第2期

智能空天系統(tǒng)專題