深空探測器的自主運(yùn)行技術(shù)研究

王大軼 孟林智 葉培建 何熊文 黃翔宇 劉成瑞

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094) (3 北京控制工程研究所，北京 100190)

深空探測是人類了解太陽系和宇宙，進(jìn)而考察、勘探和定居地球外其它天體的第一步，是空間活動(dòng)中極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。開展深空探測活動(dòng)，是航天技術(shù)發(fā)展的必然選擇，也是人類了解宇宙、認(rèn)識太陽系、探索地球與生命的起源和演化、獲取更多科學(xué)認(rèn)識的重要手段。

中國的深空探測起步于月球探測，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了探月工程“繞、落、回”三步走中的前兩步。2018年12月發(fā)射的嫦娥四號探測器將首次實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸，計(jì)劃2019年發(fā)射的嫦娥五號探測器將實(shí)現(xiàn)在月球表面采樣返回[1]。同時(shí)，首次火星探測任務(wù)也按計(jì)劃有條不紊展開，計(jì)劃2020年通過一次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對火星的“繞、著、巡”。探月工程和首次火星任務(wù)的穩(wěn)步實(shí)施，使中國深空探測技術(shù)水平不斷提升。《2016中國的航天》白皮書中，明確提出“開展火星采樣返回、小行星探測、木星系及行星穿越探測等的方案深化論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，適時(shí)啟動(dòng)工程實(shí)施，研究太陽系起源與演化、地外生命信息探尋等重大科學(xué)問題”，中國已經(jīng)將更遠(yuǎn)、更復(fù)雜的深空探測任務(wù)納入后續(xù)規(guī)劃。

深空探測任務(wù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

(1)探測目標(biāo)不同，存在大量未知和不確定性。探測目標(biāo)是遙遠(yuǎn)的星體，在地球上僅通過一些觀測手段得到了一些粗略的數(shù)據(jù)，對其特性存在不同程度的未知，且面臨很多不確定性。如氣態(tài)大行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、小行星的基本物理特性(重量、引力)等。即使美國已多次成功登陸的火星，對其大氣的了解也需不斷深化和研究。

(2)飛行距離遙遠(yuǎn)，任務(wù)中基本喪失了實(shí)時(shí)測控。探測目標(biāo)與地球距離十分遙遠(yuǎn)，從千萬千米到數(shù)億千米(火星、木星)，再到160億千米(太陽系邊際)，且在任務(wù)周期中變化幅度較大，僅依靠傳統(tǒng)的地面遙控的方式很難完成對太陽系星體的探測活動(dòng)。

(3)面臨環(huán)境復(fù)雜，需確保設(shè)計(jì)要素考慮全面。任務(wù)目標(biāo)不同，飛行軌跡和階段也不同，導(dǎo)致面臨多種多樣的環(huán)境，且變化幅度大，無規(guī)律。飛行過程中距日距離的變化，導(dǎo)致探測器所受的光、熱環(huán)境有很大的變化。針對這些復(fù)雜、變化的因素，對探測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證帶來了很大的難度。

(4)任務(wù)周期較長，對探測器可靠性要求很高。任務(wù)周期比較長(一般都在5年以上)，飛行階段多，環(huán)境變化大，且往往具有時(shí)間窗口“唯一性”等特性，對探測器可靠運(yùn)行提出了很高的要求。

與人造地球衛(wèi)星相比，深空探測任務(wù)的探測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要面臨“系統(tǒng)高可靠，自主性要求強(qiáng)、軟硬件高度耦合、集成一體化設(shè)計(jì)、在軌飛控特殊需求”等難點(diǎn)。任務(wù)特點(diǎn)、器載資源限制及相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀決定了深空探測器的管理是器地協(xié)同完成的。在地面授權(quán)的情況下，探測器必須具備全自主運(yùn)行能力。

深空探測器自主運(yùn)行技術(shù)即是利用自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)以及智能信息處理等技術(shù)，在探測器上構(gòu)建一個(gè)智能化的自主管理系統(tǒng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不依賴或者盡量少依賴外界信息注入及干預(yù)，能夠準(zhǔn)確感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境，根據(jù)飛行階段和周期環(huán)境，自主地進(jìn)行任務(wù)的規(guī)劃調(diào)度、命令執(zhí)行、器上狀態(tài)的監(jiān)測與故障時(shí)的系統(tǒng)重構(gòu)，減少對深空測控網(wǎng)的依賴，實(shí)現(xiàn)無人參與情況下的探測器長時(shí)間自主安全運(yùn)行。

20世紀(jì)90年代以來，面對航天任務(wù)的需要，中國也積極開展了探測器自主技術(shù)的研究工作和在軌應(yīng)用。目前中國空間技術(shù)研究院在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了熱控自主管理、能源自主管理、設(shè)備自主冗余切換及姿態(tài)故障時(shí)的自主應(yīng)急處理措施；針對衛(wèi)星星座和編隊(duì)飛行的任務(wù)特點(diǎn)，開展了自主運(yùn)控策略研究等；探月工程任務(wù)中開展了月面自主著陸、巡視和采樣技術(shù)的研究。此外，哈工大、北航、國防科大等高校也針對探測器自主技術(shù)開展研究并取得了一定的成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)合國外探測器健康管理的研究成果，提出了由地面健康管理系統(tǒng)和在軌健康管理系統(tǒng)兩部分組成的探測器集成健康管理系統(tǒng)[2]。中國空間技術(shù)研究院作為探測器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制單位，在控制系統(tǒng)自主故障診斷方法及應(yīng)用方面進(jìn)行了大量研究[3]。但總體來看，中國深空探測器目前的自主能力相比后續(xù)任務(wù)需求還存在一定差距，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

(1)工程應(yīng)用還不全面，目前掌握的自主能力只是局部成功應(yīng)用，而針對各種深空探測的具體任務(wù)需求，尚不具備探測器全系統(tǒng)意義上的自主，真正實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自主管理還有很多難點(diǎn)需要突破。

(2)試驗(yàn)驗(yàn)證不廣泛、不充分，沒有系統(tǒng)地進(jìn)行探測器自主管理技術(shù)驗(yàn)證工作。

隨著后續(xù)深空探測任務(wù)的逐步實(shí)施，自主運(yùn)行技術(shù)已逐漸成為深空探測領(lǐng)域未來發(fā)展的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。深空探測器自主運(yùn)行技術(shù)實(shí)施的主要目的是：①提升探測器的自主生存能力，指探測器為了實(shí)現(xiàn)長期無地面支持的在軌運(yùn)行所采用的自主姿態(tài)控制、自主熱控、自主能源控制、自主健康管理等技術(shù)。在非地面干預(yù)的情況下能夠保證探測器的長期運(yùn)行，并可在發(fā)生故障時(shí)實(shí)施自主診斷、隔離和恢復(fù)，最大限度地保證探測器安全。②提高探測器的好用性和易用性，從用戶角度出發(fā)為提高探測器的好用和易用性，包括自主任務(wù)規(guī)劃和科學(xué)載荷數(shù)據(jù)智能處理等，自主任務(wù)規(guī)劃是指探測器能夠直接接收地面使命級任務(wù)，根據(jù)空間環(huán)境、自身飛行狀態(tài)以及各種約束條件自行規(guī)劃探測器飛行任務(wù)，形成控制策略來控制探測器，以完成諸如模式轉(zhuǎn)換、變軌、制動(dòng)、成像等各種任務(wù)要求。載荷數(shù)據(jù)智能處理是指探測器針對獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從中提取出有價(jià)值的信息下傳地面，以此提高獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減少不必要的數(shù)據(jù)存儲與下傳，減少與地面通信時(shí)間。

從當(dāng)前的發(fā)展趨勢看，深空探測器自主運(yùn)行重點(diǎn)要解決4方面核心問題：自主任務(wù)規(guī)劃、自主導(dǎo)航以及自主故障診斷與重構(gòu)，以及支撐實(shí)現(xiàn)上述功能的航天器智能信息技術(shù)。

1 自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

探測器控制操作技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了遙控(地面控制)、半自主控制和自主控制三個(gè)階段，自主控制是近些年提出的一種新的控制方式。

自主控制具體應(yīng)用是在20世紀(jì)90年代探測任務(wù)中提出的，但初期的自主性只是體現(xiàn)在某些子系統(tǒng)中。例如美國1997年發(fā)射的卡西尼號(Cassini)土星探測器具有一定的自主性，其器載計(jì)算機(jī)能夠自主進(jìn)行12個(gè)載荷儀器的控制、探測器姿態(tài)定向、熱環(huán)境控制以及數(shù)據(jù)存儲和通信。1996年發(fā)射，2000年與愛神號小行星交會(huì)的小行星探測任務(wù)(NEAR)，它要求探測器器上計(jì)算太陽、地球、小行星以及探測器的位置，使探測器能夠自動(dòng)地根據(jù)科學(xué)任務(wù)和下傳數(shù)據(jù)的操作要求來調(diào)整其姿態(tài)；并可自主對故障情況做出反應(yīng)，保護(hù)探測器的安全。雖然這些探測器不是完全的自主，但自主技術(shù)的應(yīng)用一定程度上實(shí)現(xiàn)了任務(wù)操作的實(shí)時(shí)性，充分利用上下行的帶寬。

全局自主是NASA在“新千年”計(jì)劃中提出的，并在深空一號(DS-1)探測器飛行中得到了成功驗(yàn)證。其中，完成自主功能的軟件系統(tǒng)稱為遠(yuǎn)程智能體(Remote Agent)[4]。它由規(guī)劃調(diào)度、智能執(zhí)行、模式識別和故障診斷模塊組成，可以無需地面干預(yù)而自主產(chǎn)生規(guī)劃，消除資源的約束和時(shí)間上的沖突，智能地執(zhí)行規(guī)劃，并對探測器的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測，在故障發(fā)生的時(shí)候進(jìn)行識別、隔離和恢復(fù)。該技術(shù)的應(yīng)用解決了探測器控制的實(shí)時(shí)性，增加了其可靠性和交互性。

探測器系統(tǒng)是一個(gè)包括時(shí)間和資源信息等多種約束的復(fù)雜系統(tǒng)，它既有規(guī)劃問題的特點(diǎn)，又有調(diào)度問題的特點(diǎn)。例如，它包括調(diào)度問題中的時(shí)間約束，具有不同時(shí)間區(qū)間和資源的活動(dòng)、優(yōu)化問題等，還包括規(guī)劃問題中的活動(dòng)選擇。因此，傳統(tǒng)的規(guī)劃系統(tǒng)并不能完成該領(lǐng)域問題的求解，許多學(xué)者便將現(xiàn)代的規(guī)劃調(diào)度技術(shù)應(yīng)用到空間技術(shù)領(lǐng)域。其中，最突出的是NASA，它在該方面投入了很多的人力和物力，同時(shí)也取得了豐厚的回報(bào)。其早期開發(fā)的科學(xué)規(guī)劃交互知識系統(tǒng)(SPIKE)規(guī)劃調(diào)度軟件系統(tǒng)主要用于哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的長期任務(wù)調(diào)度，SPIKE能夠生成包括多達(dá)5000個(gè)(至少1 h)觀測活動(dòng)的多年調(diào)度[3]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

在探測器自主運(yùn)行過程中，對資源和任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間都有很大限制，選擇動(dòng)作的同時(shí)必須考慮資源和時(shí)間的可用性。因此在探測器中規(guī)劃與調(diào)度這兩個(gè)功能應(yīng)該有機(jī)結(jié)合在一起，在規(guī)劃的同時(shí)需考慮調(diào)度問題，這有助于降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性。一個(gè)典型的探測器自主規(guī)劃系統(tǒng)包括任務(wù)規(guī)劃調(diào)度模塊、指令管理模塊和任務(wù)約束模型三個(gè)組成部分，如圖1所示。

從自主規(guī)劃的目的和當(dāng)前技術(shù)發(fā)展來看，目前重點(diǎn)需要解決以下3個(gè)問題。

(1)安全性。探測器是一個(gè)昂貴的設(shè)備，它的操作不能出現(xiàn)一點(diǎn)差錯(cuò)，因此要求自主規(guī)劃具有絕對的安全性。

(2)實(shí)時(shí)性。相比地面，探測器器載計(jì)算機(jī)處理能力有限，因此必須提高調(diào)度算法的有效性。一個(gè)好的規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)在產(chǎn)生一個(gè)完整規(guī)劃時(shí)不應(yīng)花費(fèi)很長時(shí)間，同時(shí)應(yīng)該具備實(shí)時(shí)修正的能力，滿足探測器飛行時(shí)狀態(tài)不斷改變的要求。

(3)時(shí)序控制。自主任務(wù)規(guī)劃功能必須并行處理多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程(如將使命分解為基本的任務(wù)：軌道、控制、測控、數(shù)管、能源等)，且對各應(yīng)用進(jìn)程的起始和結(jié)束時(shí)序有著嚴(yán)格的約束，一個(gè)使命需要n個(gè)指令同時(shí)協(xié)調(diào)配合才能順利完成，強(qiáng)調(diào)的是執(zhí)行動(dòng)作的“快、精、準(zhǔn)”。

通過對探測器上已存知識(指系統(tǒng)如何工作)、各種敏感器獲得的探測器狀態(tài)及周圍環(huán)境知識的處理，活的可達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的合理活動(dòng)序列。自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)不僅降低了深空探測任務(wù)由地面站收集信息、處理、形成命令序列的操作代價(jià)，同時(shí)也增加了任務(wù)應(yīng)對深空多變環(huán)境的處理能力。但是深空探測任務(wù)面臨的復(fù)雜情況給傳統(tǒng)的任務(wù)自主規(guī)劃技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。這些情況包括：復(fù)雜的資源約束、時(shí)間約束、活動(dòng)之間并發(fā)性約束、探測環(huán)境的不確定性等。因此，和傳統(tǒng)的規(guī)劃技術(shù)方法相比，深空探測器任務(wù)規(guī)劃中存在多項(xiàng)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)，研究重點(diǎn)包括以下內(nèi)容。

圖1 探測器自主規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)想Fig.1 A thought of autonomous planning system for probe

1)深空探測領(lǐng)域規(guī)劃知識表示方法

規(guī)劃知識的表示是器載計(jì)算機(jī)進(jìn)行知識存儲和開展規(guī)劃的基礎(chǔ)。目前已經(jīng)形成了比較標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃描述語言(PDDL)，可以方便地描述傳統(tǒng)規(guī)劃問題中的因果關(guān)系、任務(wù)目標(biāo)、初始狀態(tài)等。但對于深空探測領(lǐng)域中的任務(wù)規(guī)劃來說，有些規(guī)劃問題特性不能全面描述，甚至有些問題根本無法描述，例如活動(dòng)之間的并發(fā)性、復(fù)雜時(shí)間約束、資源約束等，所以要想解決此類實(shí)際領(lǐng)域問題，必須尋找表達(dá)能力更強(qiáng)的規(guī)劃知識表達(dá)方式。如DS-1探測器為了解決器上的規(guī)劃問題，設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)時(shí)間線的規(guī)劃知識庫描述方法，用于描述深空探測中狀態(tài)的變化、資源約束、多活動(dòng)間時(shí)間約束等信息。

需要建立一種適合的規(guī)劃知識描述方法，達(dá)到以下目的：①方便各種知識的統(tǒng)一描述；②方便隱含知識的挖掘，提高規(guī)劃領(lǐng)域知識的利用率；③縮小問題空間，提高規(guī)劃效率。規(guī)劃知識描述方法的設(shè)計(jì)直接影響到任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的性能和搜索策略。規(guī)劃知識描述方法確定后，便可對探測器的經(jīng)驗(yàn)、知識進(jìn)行綜合提取，建立全面的規(guī)劃知識模型。

2)復(fù)雜時(shí)間資源約束下的快速任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

是否能夠快速、正確地生成規(guī)劃序列是任務(wù)規(guī)劃的核心。任務(wù)規(guī)劃算法是針對深空探測器任務(wù)目標(biāo)、建立器上各種約束條件、活動(dòng)/狀態(tài)之間的關(guān)系知識，利用器載計(jì)算機(jī)有限的資源，進(jìn)行搜索和推理，生成某一段時(shí)間內(nèi)的任務(wù)序列。

在探測器任務(wù)規(guī)劃中，需要將來自不同子系統(tǒng)的目標(biāo)、規(guī)則、約束、資源等都集中存儲在器載系統(tǒng)的內(nèi)存中，形成多維規(guī)劃知識空間。而探測器系統(tǒng)復(fù)雜、活動(dòng)間存在并行、相關(guān)等時(shí)間約束特性，造成知識搜索空間增大，因而采用何種規(guī)劃算法將會(huì)直接影響搜索到合理任務(wù)規(guī)劃的時(shí)間和代價(jià)。

此外，在深空探測任務(wù)規(guī)劃中，不僅要考慮因果關(guān)系，還需要考慮活動(dòng)之間的并行約束、順序約束、資源約束等，僅靠簡單的在因果空間中搜索已經(jīng)無法解決問題，因此需要引入一些約束處理方法、定量/定性信息處理方法，例如約束滿足方法、基于修復(fù)的策略、啟發(fā)式搜索方法等。

2 自主導(dǎo)航技術(shù)

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

深空探測的特殊環(huán)境導(dǎo)致了無法進(jìn)行實(shí)時(shí)測控，探測器必須具有較強(qiáng)的自主導(dǎo)航能力，以保證安全和準(zhǔn)確地完成探測任務(wù)。

早在20世紀(jì)60年代，Battin等人就提出了星際航行航天器自主導(dǎo)航理論，即通過測量已知天體(如太陽、地球、月球等)與遙遠(yuǎn)恒星視線之間的夾角，結(jié)合這些天體的星歷，解算出航天器位置。深空探測任務(wù)中，1968年發(fā)射的阿波羅-8飛船任務(wù)應(yīng)用了這一理論，使用六分儀作為測量天體視線的自主天文導(dǎo)航敏感器。由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，單純依靠角測量獲得的位置解算精度并不太高，因此自主導(dǎo)航僅作為地面測控的補(bǔ)充，用于確認(rèn)軌道安全，并在地面不能向航天器提供導(dǎo)航支持情況下為航天器返回地球的任務(wù)提供了支持。

在后續(xù)的深空探測任務(wù)中，自主導(dǎo)航技術(shù)持續(xù)發(fā)展，并且在眾多具有自主導(dǎo)航能力要求的任務(wù)中，自主導(dǎo)航系統(tǒng)配置均采用了光學(xué)成像敏感器，并與激光雷達(dá)、微波雷達(dá)、慣性測量單元(IMU)等其他設(shè)備共同組成自主導(dǎo)航系統(tǒng)。1994年的“克萊門汀號”月球探測器，利用紫外/可見光敏感器開展了地月轉(zhuǎn)移段和環(huán)月段自主導(dǎo)航試驗(yàn)；1996年的NEAR號小行星探測器實(shí)現(xiàn)了繞飛段和降落段基于光學(xué)成像跟蹤測量的自主導(dǎo)航；1998年的DS-1探測器首次成功在軌驗(yàn)證了深空自主導(dǎo)航系統(tǒng)，在巡航階段進(jìn)行了基于小行星及背景恒星圖像的自主導(dǎo)航技術(shù)的飛行驗(yàn)證，在接近和飛越小行星段，進(jìn)行了基于目標(biāo)天體圖像的自主導(dǎo)航技術(shù)的飛行驗(yàn)證；日本的隼鳥一號探測器利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器和激光測距儀實(shí)現(xiàn)了交會(huì)、附著段的自主導(dǎo)航；NASA的深度撞擊號探測器利用成像敏感器實(shí)現(xiàn)了接近和撞擊段的自主導(dǎo)航；2011年NASA的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室號探測器利用成像敏感器實(shí)現(xiàn)了著陸過程的自主導(dǎo)航；中國2013年發(fā)射的嫦娥三號(CE-3)月球探測器在著陸過程首次實(shí)現(xiàn)了基于光學(xué)圖像的自主障礙識別與避障。如圖2所示。

圖2 嫦娥三號著陸過程自主光學(xué)導(dǎo)航避障過程Fig.2 Autonomous optical navigation obstacle avoidance process of CE-3

通過自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展可以看出：隨著光學(xué)、微電子、計(jì)算機(jī)以及圖像處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，深空探測器自主導(dǎo)航技術(shù)也取得了長足進(jìn)步。目前多數(shù)深空探測器已經(jīng)具備部分的自主導(dǎo)航功能，而且功能逐漸完善和強(qiáng)大，并向系統(tǒng)級自主導(dǎo)航發(fā)展。主流的自主導(dǎo)航技術(shù)均建立在用光學(xué)導(dǎo)航敏感器獲取的導(dǎo)航星或目標(biāo)天體圖像信息基礎(chǔ)上，而對光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的圖像信息進(jìn)行自主圖像識別，目標(biāo)辨識已成為當(dāng)前深空自主導(dǎo)航的核心內(nèi)容。并且，深空自主導(dǎo)航不僅是保證安全必不可少的系統(tǒng)，也成為地面測控的有效補(bǔ)充，在某些特殊的飛行階段(如目標(biāo)天體接近、繞飛、著陸、附著和撞擊等)，已經(jīng)表現(xiàn)出超越地面測控的一定技術(shù)優(yōu)勢。隨著深空探測任務(wù)的不斷實(shí)施，自主導(dǎo)航技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，獲得更廣泛的應(yīng)用[5]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

探測器從飛離地球到接近或著陸深空目標(biāo)天體，整個(gè)航行過程一般分為：分離段、巡航段、交會(huì)段和著陸段。由于各個(gè)航行階段的飛行特點(diǎn)都不相同，每個(gè)階段必須采用相應(yīng)的導(dǎo)航方式，因此在整個(gè)過程中需要采用多種自主導(dǎo)航方法。

從國外深空探測任務(wù)和計(jì)劃所采用的自主導(dǎo)航技術(shù)可看出，光學(xué)導(dǎo)航是目前深空探測的主流自主導(dǎo)航技術(shù)。光學(xué)導(dǎo)航的工作原理是以目標(biāo)天體或者運(yùn)行軌道附近的一些已知星歷的天體作為導(dǎo)航星，然后規(guī)劃和處理觀測到的天體光學(xué)圖像，利用已知的天體信息，確定探測器的位置和速度。

由于深空探測器任務(wù)方式多樣，不同階段所處的環(huán)境各不相同，雖然光學(xué)導(dǎo)航是各種深空探測自主導(dǎo)航的基本方法，但是，根據(jù)探測器距離目標(biāo)天體的遠(yuǎn)近，探測器與太陽、地球等大天體的相對關(guān)系，以及周邊小天體的分布不同，各種探測器在不同的任務(wù)階段具體選擇的光學(xué)導(dǎo)航敏感器以及采用的圖像處理算法、自主導(dǎo)航方法也不盡相同。后續(xù)研究重點(diǎn)包括以下內(nèi)容。

1)自主導(dǎo)航多源信息融合技術(shù)

隨著深空探測任務(wù)向多樣性和復(fù)雜性發(fā)展，對自主導(dǎo)航系統(tǒng)性能的要求越來越高，無論是光學(xué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航，還是基于雷達(dá)等主動(dòng)測量設(shè)備的導(dǎo)航技術(shù)，都無法獨(dú)自滿足所有任務(wù)段高精度、高可靠的導(dǎo)航需求。將多種導(dǎo)航方式組合在一起，實(shí)現(xiàn)多種導(dǎo)航體制和多源信息間的融合，是深空探測自主導(dǎo)航的重要發(fā)展方向。如將陸標(biāo)信息和天文測量信息相融合，可顯著提高環(huán)繞和著陸段的自主導(dǎo)航精度。

與單一的導(dǎo)航方式相比，基于多源信息融合的自主導(dǎo)航能顯著提高系統(tǒng)的精度和可靠性，在敏感器故障檢測、診斷與隔離以及系統(tǒng)誤差修正方面具有優(yōu)勢。從信息融合的角度，需要重點(diǎn)解決的問題包括濾波結(jié)構(gòu)與融合算法、異步時(shí)延數(shù)據(jù)融合方法和故障后的濾波重構(gòu)技術(shù)等。此外，設(shè)計(jì)具有統(tǒng)一框架的自主導(dǎo)航方案，采用模塊化的導(dǎo)航軟件能極大地提高導(dǎo)航系統(tǒng)通用性，也是滿足深空探測不同任務(wù)要求的重要手段[6]。

2)導(dǎo)航敏感器微小型化和可復(fù)用一體化技術(shù)

隨著現(xiàn)代微電子、光電子以及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，深空探測自主導(dǎo)航敏感器也正朝著微小型化、模塊化、集成化和一體化的方向快速發(fā)展[6]。美國和歐洲航天器都在積極研制各種微型太陽敏感器、恒星羅盤、視頻敏感器和陀螺儀等。微小型化技術(shù)不但可以減小器上功能部件自身的重量，也會(huì)帶來系統(tǒng)的整體小型化和低功耗，從而大大減小整器的質(zhì)量、體積和功耗。

除了要向小型化、集成化、低功耗和輕型化的方向發(fā)展外，提高敏感器的復(fù)用程度也是有效途徑之一。國外的深空探測器，導(dǎo)航敏感器和光學(xué)載荷往往是共用的，可在不同階段實(shí)現(xiàn)不同的功能。例如星塵號探測器在飛越Wild-2彗星的過程中，就利用導(dǎo)航敏感器對彗核進(jìn)行了三維測繪；隼鳥一號小行星探測器的著陸導(dǎo)航敏感器也同時(shí)承擔(dān)了對小行星表面的成像觀測任務(wù)等[7]。

3)導(dǎo)航目標(biāo)的人工智能識別技術(shù)

獲取導(dǎo)航測量信息是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵，導(dǎo)航信息的自主獲取與處理是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與控制的前提[5]。為了提高自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，必須獲取高質(zhì)量的導(dǎo)航信息，光學(xué)圖像導(dǎo)航是深空探測器自主導(dǎo)航的發(fā)展趨勢，圖像處理算法是其核心，是獲取高精度的導(dǎo)航天體信息和提高導(dǎo)航精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，特別是在圖像識別領(lǐng)域中的應(yīng)用有長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了專門用于圖像或語音處理的多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法。對于深空探測，越來越遠(yuǎn)的飛行距離以及不確定的環(huán)境因素，使人工智能技術(shù)可成為未來導(dǎo)航目標(biāo)識別的有效解決途徑之一。

3 自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)是隨著航天飛行任務(wù)擴(kuò)展、可靠性提高及工作壽命延長等要求而發(fā)展起來的[8]。技術(shù)發(fā)展過程如圖3所示。

20世紀(jì)50年代開始的第一代航天器主要是通過器上各種狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)發(fā)送至地面站，由地面站進(jìn)行監(jiān)測并對航天器上可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行判斷，并簡單的通過航天器設(shè)計(jì)硬件的冗余切換，進(jìn)行故障處理。如美國的第一艘載人宇宙飛船水星號以及蘇聯(lián)的第一艘載人宇宙飛船東方號。由于設(shè)計(jì)之初并沒有考慮到故障診斷的問題，僅通過遙測數(shù)據(jù)很難精確定位故障，所以只能采用整機(jī)切換的方式實(shí)現(xiàn)故障隔離。

20世紀(jì)70年代的第二代航天器系統(tǒng)中，故障診斷和重構(gòu)技術(shù)得到了很大發(fā)展。美國的陸地遙感衛(wèi)星(Landsat)、法國的斯波特衛(wèi)星(SPOT)、日本的地球遙感衛(wèi)星(JERS-1)等都具備了不同程度的故障診斷、隔離及重構(gòu)能力[9]。

第三代航天器系統(tǒng)關(guān)鍵部件有多重冗余，具有自主診斷和重構(gòu)的能力，滿足航天器對系統(tǒng)的安全性、可靠性要求，做到“一重故障保工作，雙重故障保安全”。如美國的阿波羅號載人飛船和俄羅斯的聯(lián)盟號飛船。

目前，航天器已從原來單一的由各分系統(tǒng)(如控制、電源、推進(jìn)系統(tǒng)等)配置的故障診斷系統(tǒng)，向系統(tǒng)級狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測和故障修復(fù)系統(tǒng)發(fā)展，逐步形成航天器集成健康管理系統(tǒng)，從保障任務(wù)完成的系統(tǒng)頂層實(shí)現(xiàn)對航天器的故障綜合檢測與重構(gòu)。

中國航天器的自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)的研究起步相對較晚。20世紀(jì)80年代末，資源一號衛(wèi)星配置了具有智能接口的部件和模塊級備份計(jì)算機(jī)，成為中國第一顆具有一定自主故障診斷與重構(gòu)能力的衛(wèi)星。進(jìn)入90年代，中國研制的遙感衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星以及各類小衛(wèi)星的系統(tǒng)都不同程度地具有故障診斷與重構(gòu)功能。到目前為止，門限值檢驗(yàn)法、推斷檢驗(yàn)法、一致性檢驗(yàn)法等故障診斷方法，以及備份部件切換、系統(tǒng)切換、敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)重構(gòu)等冗余控制方法都在中國已發(fā)射或在研型號中得到應(yīng)用，可診斷到系統(tǒng)級和部件級。

圖3 自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀Fig.3 Development status of autonomous fault diagnosis and reconstruction technology

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)是建立在對航天器故障模式及其要素進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，對部件級和系統(tǒng)級故障進(jìn)行詳細(xì)的故障模式與影響分析，包括對故障發(fā)生機(jī)理、故障現(xiàn)象、故障對上下級部件的影響以及故障征兆在系統(tǒng)中的傳播關(guān)系，從而建立系統(tǒng)級故障模式與影響分析(FMEA)模型進(jìn)行研究。其中，部件級故障模型以“故障輸出=正常輸出+故障”的簡單形式而得到。系統(tǒng)級故障模型以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系為基礎(chǔ)，建立狀態(tài)空間方程，將敏感器故障作為輸入型故障，執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障作為輸出型故障而得到。由于故障模型未能深入反映部件內(nèi)部的故障機(jī)理，以及解析模型自身不確定性因素的影響，約束了故障診斷方法的研究和應(yīng)用。

在工程實(shí)施階段，需要根據(jù)對機(jī)理的分析，從系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)開始，就充分圍繞系統(tǒng)可診斷性進(jìn)行設(shè)計(jì)，使航天器系統(tǒng)能夠檢測并識別出自身故障狀態(tài)，針對故障狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。由于規(guī)模的約束，可靠性設(shè)計(jì)不能僅僅依靠系統(tǒng)的冗余備份完成，必須考慮系統(tǒng)的可重構(gòu)性，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的工作模式或降維工作模式。特別是深空探測任務(wù)，對系統(tǒng)整體規(guī)模的約束更加嚴(yán)格，合理的診斷設(shè)計(jì)和重構(gòu)設(shè)計(jì)，是未來自主運(yùn)行技術(shù)發(fā)展的重要途徑。后續(xù)研究重點(diǎn)包括以下內(nèi)容。

1)資源約束條件下的可診斷性設(shè)計(jì)[10]

可診斷性設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)階段，為了提高故障診斷性能而采取的措施，主要涉及可診斷性評價(jià)與測點(diǎn)配置。可診斷性評價(jià)用于判斷當(dāng)前配置情況下，提供給故障診斷單元的信息是否足夠，測點(diǎn)是否已涵蓋考慮的所有故障模式，以及是否有必要對這些測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化或添加新測點(diǎn)來達(dá)到一定的故障診斷要求。

對于不滿足故障診斷要求的情況，需要在考慮深空探測器系統(tǒng)資源約束下，研究測點(diǎn)優(yōu)化配置方法。目前，在深空探測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，遙測點(diǎn)配置雖然也考慮了部分故障診斷的需求，但大部分還是憑借經(jīng)驗(yàn)，通過逐個(gè)分析故障來添加測點(diǎn)，尚未從全局出發(fā)通過分析各測點(diǎn)之間的冗余關(guān)系而給出涵蓋所有故障的最優(yōu)測點(diǎn)。

2)資源約束條件下的可重構(gòu)性設(shè)計(jì)[11]

深空探測器系統(tǒng)受重量和體積約束，不可能過多的為各部件配置硬件冗余，勢必造成故障發(fā)生后，缺乏有效的重構(gòu)策略可以實(shí)施，因此有必要在設(shè)計(jì)階段引入可重構(gòu)性設(shè)計(jì)，分析深空探測器對故障的容忍能力，識別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行硬件冗余或功能冗余設(shè)計(jì)，保證一旦發(fā)生故障后能夠?qū)崿F(xiàn)切換或系統(tǒng)重構(gòu)。但目前在深空探測器研制過程中，主要依靠可靠性分析、FMEA和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，缺乏從重構(gòu)角度得到的相關(guān)分析，無法指導(dǎo)深空探測器的可重構(gòu)性設(shè)計(jì)。

可重構(gòu)性設(shè)計(jì)研究主要包括冗余度分析、重要部件識別、薄弱環(huán)節(jié)識別、系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

3)先進(jìn)故障診斷重構(gòu)方法[12]

目前，國內(nèi)工程實(shí)施的深空探測任務(wù)所使用的故障診斷方法的對象特點(diǎn)單一，尚缺乏從系統(tǒng)層面進(jìn)行故障診斷的方法，如基于解析模型的方法、基于知識的方法以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法等。如國外已成功將奇偶空間方法用于陀螺故障診斷中，將參數(shù)估計(jì)方法用于動(dòng)量輪的故障診斷中。先進(jìn)故障診斷方法的研究需要緊密結(jié)合深空探測器的下述特點(diǎn)開展。

(1)魯棒性。深空探測器所處環(huán)境中的各種未知干擾因素較多，而且往往難以事先預(yù)料；另一方面隨著深空探測器任務(wù)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性日益增長，建模誤差對故障診斷的影響也越來越明顯，容易引起誤報(bào)和漏報(bào)。

(2)非線性。深空探測器屬于非線性系統(tǒng)，雖然在小角度情況下，動(dòng)力學(xué)可以線性化，但由于太陽帆板和液體燃料儲箱等撓性因素影響，深空探測器動(dòng)力學(xué)中的非線性特性越來越明顯。

(3)閉環(huán)特性。深空探測器是典型閉環(huán)系統(tǒng)，由于反饋的存在，早期的故障通常被控制器覆蓋，并且故障傳播也會(huì)使某一故障引起多個(gè)測點(diǎn)出現(xiàn)異常。

另外，大多數(shù)故障診斷方法都假設(shè)是已知故障，而深空探測器中還存在一類特殊故障，即非預(yù)期故障。雖然深空探測器發(fā)射之前也制定了相應(yīng)的故障預(yù)案，但由于深空探測器運(yùn)行環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，導(dǎo)致工作人員對故障模式的認(rèn)識不夠透徹和深入，缺乏對在軌故障的了解，造成部分故障超出了故障預(yù)案范疇，稱之為非預(yù)期故障。針對非預(yù)期故障開展故障診斷方法研究也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 智能信息技術(shù)

4.1 發(fā)展現(xiàn)狀

智能信息技術(shù)為自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)等技術(shù)的在軌實(shí)現(xiàn)提供計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)能力支撐，使得各類自主管理相關(guān)算法可以在高性能計(jì)算平臺中運(yùn)行，并通過網(wǎng)絡(luò)與航天器內(nèi)部或其它航天器的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。

在計(jì)算能力方面，主要包含航天器抗輻照處理器和航天器嵌入式操作系統(tǒng)兩個(gè)部分。美國抗輻照處理器包括獵戶座[13]上使用的PPC750FX(主頻900 MHz)、火星車使用的RAD750(主頻110～200 MHz)、深空一號上使用的RAD6000(主頻33 MHz)、SMART-1使用的TSC695F(主頻25 MHz)等。中國抗輻照處理器包括TSC695F以及BM3803(主頻100 MHz)等，此外珠海歐比特公司開發(fā)了4核的S698PM(主頻600 MHz)，北京控制工程研究所開發(fā)了4核的SoC2012(主頻100 MHz)。美國嵌入式操作系統(tǒng)包括Green Hills公司的Integrity操作系統(tǒng)、風(fēng)河公司的VxWorks操作系統(tǒng)等。中國嵌入式操作系統(tǒng)包括北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部開發(fā)的ASOS、EVTOS操作系統(tǒng)以及北京控制工程研究所開發(fā)的SpaceOS等。

在網(wǎng)絡(luò)能力上分為空間網(wǎng)絡(luò)和器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。在空間網(wǎng)絡(luò)，美國與德國在2008年進(jìn)行了空間激光試驗(yàn)，傳輸速率達(dá)到5.6 Gbit/s，在軌星間速率在目前為止為最高。2013年美國的LLCD項(xiàng)目進(jìn)行了月球到地面的激光通信，前向速率為20 Mbit/s，返向速率為622 Mbit/s。后續(xù)美國在研的OSIRISv3項(xiàng)目將進(jìn)行國際空間站對地的激光試驗(yàn)，預(yù)計(jì)速率可達(dá)10 Gbit/s。中國于2017年在實(shí)踐十三號衛(wèi)星上進(jìn)行了地球同步軌道(GEO)對地的空間激光試驗(yàn)，速率為2.4 Gbit/s。在器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，美國在獵戶座飛船中使用了時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)，速率不小于1 Gbit/s，中國天宮一號上還使用了速率100 Mbit/s的1394總線，中國在深空探測器使用的主要為1553B總線。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

航天器智能信息技術(shù)包含在軌信息的獲取、處理和分發(fā)等多個(gè)方面，用于構(gòu)建航天器的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)平臺，為智能自主管理提供基礎(chǔ)支撐。具體包含高性能計(jì)算技術(shù)、多核分區(qū)操作系統(tǒng)技術(shù)、航天器組網(wǎng)與互聯(lián)互操作技術(shù)、航天器內(nèi)高速總線技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。其相互關(guān)系如圖4所示。

1)高性能計(jì)算技術(shù)

高性能計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)研究構(gòu)建以高性能處理器為核心的高性能通用計(jì)算機(jī)。處理器目前的主流發(fā)展方向是由單核到多核。由于深空領(lǐng)域?qū)χ亓恳蟊容^苛刻，可重點(diǎn)研究將各類外圍接口(如遙控、遙測、總線等)與處理器集成形成片上系統(tǒng)(SOC)產(chǎn)品，用于支撐各類自主管理算法的高效運(yùn)行。

2)多核分區(qū)操作系統(tǒng)技術(shù)

操作系統(tǒng)技術(shù)目前的發(fā)展趨勢是由支持單核到支持多核，由不支持分時(shí)分區(qū)到支持分時(shí)分區(qū)，功能更加多樣化。考慮到未來在軌靈活動(dòng)態(tài)加載各類智能算法APP，在軌需要具有分時(shí)分區(qū)功能的操作系統(tǒng)，使得不同用戶開發(fā)的APP可以在空間和時(shí)間隔離，一個(gè)APP出現(xiàn)故障不會(huì)影響其它APP。

3)航天器組網(wǎng)與互聯(lián)互操作技術(shù)

航天器組網(wǎng)與互聯(lián)互操作技術(shù)主要研究航天器與航天器之間、航天器與地面之間如何聯(lián)網(wǎng)，涉及核心通信協(xié)議、配套的硬件和軟件等多個(gè)方面。在協(xié)議層面重點(diǎn)研究如何將空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議融合，以及特別適用于深空長延遲、高誤碼率環(huán)境下的容延遲網(wǎng)絡(luò)(DTN)協(xié)議[14]。配套的硬件主要為用于空間路由的空間路由器，配套的軟件包括用于實(shí)現(xiàn)各類協(xié)議的器載網(wǎng)絡(luò)中間件。

4)航天器內(nèi)高速總線技術(shù)

航天器內(nèi)高速總線技術(shù)用于在航天器內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)，使得各計(jì)算機(jī)之間可以進(jìn)行信息共享，便于部署在不同計(jì)算機(jī)的智能自主管理APP進(jìn)行通信以及在必要時(shí)進(jìn)行任務(wù)遷移和重構(gòu)。目前可考慮基于TTE構(gòu)建航天器內(nèi)部高速網(wǎng)絡(luò)，基于CCSDS的航天器接口業(yè)務(wù)(SOIS)[15]搭建總線的相關(guān)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)信息的共享。

圖4 航天器智能信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)Fig.4 Key technology of spacecraft function information technology

5 結(jié)論

隨著深空探測器對安全性、自主性的需求增長，對自主運(yùn)行技術(shù)的需求越來越明顯。NASA已經(jīng)宣稱：在下一個(gè)十年里所有類型的探測器都將引入更多的先進(jìn)集成管理技術(shù)，使探測器越來越智能，能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行系統(tǒng)級自評估、規(guī)劃并執(zhí)行其任務(wù)、管理自身健康并確定修復(fù)措施、與探測器上或地面人員交互和/或提供建議等功能。

自主運(yùn)行技術(shù)是一項(xiàng)涉及學(xué)科廣泛、針對性強(qiáng)、工程需求明確的研究課題，是深空探測發(fā)展的共性核心技術(shù)。鑒于自主運(yùn)行技術(shù)的重要意義和發(fā)展趨勢，提出如下建議。

(1)從深空探測發(fā)展道路中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，制定適合中國國情的技術(shù)發(fā)展路線。DS-1探測器、小型先進(jìn)技術(shù)研究任務(wù)-1(SMART-1)月球探測器的自主管理系統(tǒng)或故障檢測、隔離與重構(gòu)(FDIR)系統(tǒng)表明美國、歐洲等航天先進(jìn)國家逐步探索并掌握了一定的自主技術(shù)。中國也取得了一定的階段性成果，但是由于深空探測器的廣度和深度還略顯不足，這就要根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合目前研究水平，提出符合當(dāng)前發(fā)展規(guī)劃的自主運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展思路，針對實(shí)際的任務(wù)需求開展研究，切勿急功近利。

(2)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)和研究結(jié)果，逐步完成基礎(chǔ)理論到關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施的轉(zhuǎn)化。中國在自主任務(wù)規(guī)劃、自主故障診斷與重構(gòu)研究方面雖已經(jīng)取得了一些成熟理論成果，但開展的研究必須緊密聯(lián)系具體系統(tǒng)和實(shí)際工程，單純理論上的研究在工程實(shí)用方面還存在許多限制。因此理論成果到產(chǎn)品和工業(yè)的轉(zhuǎn)化還需要一段進(jìn)程，須要以實(shí)事求是的態(tài)度，盡快開展探測器系統(tǒng)自主運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展研究，逐步完成基礎(chǔ)理論到關(guān)鍵技術(shù)的轉(zhuǎn)化。

(3)著力開展地面驗(yàn)證與飛行試驗(yàn)。深空探測器自主運(yùn)行技術(shù)應(yīng)按照地面仿真驗(yàn)證、地面物理驗(yàn)證和飛行試驗(yàn)三個(gè)階段開展。地面驗(yàn)證(包括地面仿真驗(yàn)證和地面物理驗(yàn)證)是推動(dòng)自主運(yùn)行技術(shù)各方面核心技術(shù)走向工程實(shí)用的必要且重要的一環(huán)。如何在地面真實(shí)且全面地模擬可能的故障現(xiàn)象以及如何評估采用方法或模型的有效性都是研究的重點(diǎn)，應(yīng)盡快在現(xiàn)有試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上改造或新建地面驗(yàn)證系統(tǒng)，促進(jìn)研究方法和技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)。