小天體主動附著制導與控制技術研究進展

崔平遠，趙冬越，朱圣英，葛丹桐

(1. 北京理工大學深空探測技術研究所，北京100081；2. 深空自主導航與控制工信部重點實驗室，北京100081；3.飛行器動力學與控制教育部重點實驗室，北京100081)

0 引 言

小天體(包括小行星和彗星)探測對人類了解太陽系的起源與演化、防御近地小天體撞擊以及驗證最新的航天技術具有重要價值。隨著小天體探測活動的深入開展，探測任務的復雜程度不斷提升，在小天體表面進行軟著陸已經成為當前主要的探測手段。與月球、火星著陸任務相比，探測器在小天體附近所受引力較小，運動速度較低，因此常將其降落在小天體表面的過程描述為“附著”[1]。迄今為止，實施小天體表面附著的探測任務共有五次，分別是美國的“近地小行星交會”(NEAR)任務、“冥王號”(OSIRIS-REx)任務、歐洲空間局的“羅塞塔”(Rosetta)任務、日本的“隼鳥號”(Hayabusa)和“隼鳥2號” (Hayabusa-II)任務。其中NEAR-Shoemaker探測器于2001年在小行星433 Eros表面實施了首次小天體附著[2]，Hayabusa探測器于2005年對小行星25143 Ikotawa進行了接觸式采樣，首次實現了小天體采樣返回[3]。Rosetta探測器于2014年成功向彗星67P/Churyumov-Gerasimenko表面投放著陸器菲萊(Philae)，完成了首次彗星附著[4]，Hayabusa的后繼型號Hayabusa-II探測器于2019年對小行星1999 JU3 Ryugu進行了表面接觸與采樣，OSIRIS-REx探測器則于2020年10月實現了對小行星101955 Bennu的附著采樣，預計2023年攜帶樣品返回。

由于目標小天體與地球一般距離較遠，地面測控通訊時延大，為了滿足附著任務的實時性要求，探測器必須具備自主附著能力[6]。而小天體體積較小、形狀不規則、引力場弱且分布不均勻，探測器運動狀態受太陽光壓等擾動力的影響顯著。同時受限于地面觀測條件，小天體的形貌、大小以及自旋周期等物理參數存在較大的不確定性。此外，小天體表面地形復雜，溝壑、斜坡、碎石等地形障礙分布廣泛。上述因素都使自主附著面臨諸多挑戰，加之探測器本身存在的控制誤差和系統故障風險，附著速度過大時容易造成彈跳、傾覆甚至墜毀事故[7]。

未來的小天體探測任務中，目標小天體和附著區域的選取需要更多地考慮其科學研究價值，附著難度與風險水平將會進一步提升，要求探測器具備更強的環境感知和風險預測與規避能力，能夠將自主軌跡規劃、穩健精確制導和安全控制策略高效結合，做到對附著風險的提前感知、快速分析、有效處理。當前自主附著技術的研究工作逐漸向體系化、智能化的趨勢發展，研究目標已不限于被動應對危險狀況，而是追求主動防范潛在風險，從而提出了“主動附著控制”的新概念[8]。為區別于以應對附著風險為主的設計思路，本文將具有主動防范附著風險的設計思想稱為“主動附著”，將能夠實現附著過程自主感知與決策、防范附著任務風險、提高小天體附著安全性的制導與控制技術稱為“主動附著制導與控制技術”。以下將對該技術領域的最新進展和發展方向進行歸納分析。

1 小天體主動附著的技術難題

探測器在小天體表面實施主動附著，需要同時克服外在環境的干擾和系統自身的局限性，做到準確的環境感知和快速的風險規避。由于任務環境存在的一系列不利因素，使得主動附著的實現面臨如下技術難題。

1.1 先驗觀測信息匱乏

小天體體積小，依賴地面觀測往往無法獲得準確的周邊環境與物理參數等信息，且不同小天體在形狀、自旋狀態、引力場、表面地形等方面存在顯著差異，導致已實施的任務難以為新的任務提供充分的技術經驗[9]。而探測器對著陸任務風險的準確評估需要高精度觀測信息的積累，大量未知風險的存在增加了星上評估的困難性。Rieger等[10]對近地小行星周期軌道的研究表明，一些近地小行星周圍具備體積更小的自然衛星長期存在的條件，而直徑10 m以內、繞小天體周期軌道運行的物體很難被發現和監測。同樣難以預計的還有小天體內部地質活動產生的拋射物質、彗星附近的氣體和塵埃，小天體表面尺度較小的碎石和地形起伏，以及深空環境中動態變化的輻射、溫差等因素[11]，都可能干擾探測器的正常運行。此外，小天體的形狀以及內部密度分布等信息也無法憑借地面觀測準確預知，導致引力場分布存在較大的不確定性。諸如此類的潛在風險都對探測器的軌跡優化與自主控制帶來了挑戰，同時要求探測器具備更加全面、準確的環境感知與風險評估能力。

1.2 星載計算資源有限

小天體附近引力場弱，且分布不均勻，加之太陽光壓、多體引力等擾動因素的影響，導致探測器在小天體周圍的運動軌跡存在較大的不確定性。在附著過程中，為了修正探測器的位置和姿態偏差，維持運動穩定，軌控發動機和姿控飛輪等執行機構往往需要經歷頻繁啟停[12]，占用大量星上計算資源。同時，為了提高復雜地形條件下的附著安全性，控制系統一方面需要存儲海量的地形地貌和引力場數據，另一方面需要具備應急避險和軌跡快速重規劃能力。由于高精度數值方法普遍需要較高的計算量和較大的緩存容量，一般的星載計算機難以兼顧計算精度和速度。因此，主動附著要求探測器搭載高效、可在線實時運行的軌跡規劃與制導控制算法，在簡化計算的同時盡可能保證較高的實時性和安全性。

1.3 星表形貌復雜多樣

小天體表面地形復雜，山脊、低谷、凹坑和丘陵廣泛分布，表面碎石等體積較小的障礙往往難以提前預知，只有探測器下降至距離表面數十米的高度后才能識別，這些地形障礙對探測器附著的安全性構成威脅[13-14]。由于不同小天體地形地貌特征差異較大，探測器附著過程中遇到的地形障礙形式多樣，避障模式單一、固定的控制方法可能在多重約束條件下難以實施，或不能達到預期效果。此外系統導航、控制誤差和可能出現的硬件故障將會加大探測器與地形障礙碰撞的風險。因此探測器需要具備對地形特征和異常狀態準確辨識的能力，以及靈活應對多種突發性風險、確保附著安全穩健的主動控制能力。

2 小天體附著任務回顧

在小天體附著過程中，通常依靠探測器的環境感知、軌跡生成、自主下降與風險規避等功能，實現安全附著。以圖1所示的Hayabusa-II探測器為例，實施附著前，探測器在距離小天體表面20 km處懸停，確定目標附著區域，計算最優附著軌跡，隨后在地面測控系統的輔助下緩速下降。當高度減小到100 m時，向小天體表面釋放人工信標，并進入自主控制模式。在自主下降過程中，使用相機和激光雷達等傳感設備對下方地形進行掃描，評估附著區域安全性，并視情況實施障礙規避機動，直至探測器接觸表面，完成采樣并返回。已實施的四次小天體附著任務都對上述三項技術進行了類似的探索與實踐。

圖1 Hayabusa-II探測器附著過程示意圖[17]Fig.1 Landing operation sequence of Hayabusa-II[17]

在附著環境感知方面，歷次任務采用光學成像和激光探測等手段，對小天體表面地形進行成像與建模，并篩選最佳附著點。NEAR-Shoemaker探測器攜帶了一臺537×244像素的多光譜成像儀，對小行星433 Eros進行了長時間的環繞拍攝[15]，環繞軌道高度最低達到2.74 km，對小天體表面的成像分辨率小于0.5 m[2]。在Rosetta任務中，軌道器和著陸器分別攜帶光學成像系統，用于觀測附著區地形和跟蹤運動狀態[4]。Hayabusa和Hayabusa-II探測器安裝有四臺激光測距儀(Laser range finder, LRF)，在下降過程中對下方地形進行反復掃描以檢測表面平整性，Hayabusa同時配備了用于檢測近距離地形障礙的扇形波束傳感器(Fan beam sensor, FBS)，確保探測器附著區域足夠平坦[16-17]。

在附著軌跡生成與制導方面，歷次任務的附著點選取與附著軌跡計算均由地面測控團隊完成，探測器或釋放著陸器進行無控附著，或利用軌控發動機以脈沖推力的方式執行制導指令。NEAR任務中，探測器離軌后共進行了四次脈沖減速，最終以1.5～1.8 m/s的垂直相對速度接觸433 Eros表面，通過加速度計測量探測器實時速度并調整脈沖輸出時間，保證減速效果達到預期[2,18]。Philae著陸器則以無控下降為主，但攜帶了冷氣推進裝置，可以在下降速度偏離預期時進行修正[19]。Hayabusa和Hayabusa-II探測器則向預定附著點投放了人工信標，在地面測控的指引下對人工信標進行跟蹤。在附著的最后階段，探測器進入自主控制模式，從人工信標正上方緩速下降，軌控發動機根據激光雷達(Light detection and ranging, LIDAR)的實時測量數據對下降速度進行反饋控制，將表面接觸前垂直相對速度保持在10 cm/s左右[16,20]。

在附著風險規避控制方面，Philae著陸器配備有起落架和錨定裝置，可以承受最高1.5 m/s的垂直相對接觸速度引發的沖擊，起落架與彗星表面接觸后，錨定裝置和冷氣反推系統啟動抑制著陸器彈跳，連接主體的萬向節則能夠防止著陸器傾覆并吸收多余的角動量[21]。Hayabusa探測器出于安全考慮設計了緊急避險機制，當FBS檢測到地形障礙時控制系統將中止附著并自動上升[16]。

然而在實際附著過程中，上述任務仍遇到了不同程度的安全問題。如NEAR探測器在低軌飛行的過程中受擾動影響偏離了預期軌道[15]，附著時又由于測量偏差導致探測器接觸表面后發動機未能立即關機，增加了設備損壞的風險[2]；Philae著陸器則因為冷氣推進裝置和錨定裝置相繼發生故障，導致其接觸彗星表面后發生了彈跳和翻滾[22]； Hayabusa探測器由于飛輪故障引發的姿態偏差導致LRF測量失準。之后在首次附著嘗試中，接近小天體表面時障礙探測系統報警，探測器卻由于姿態偏差無法執行緊急上升程序，導致其在小天體表面發生了反復碰撞與彈跳，未能按計劃執行采樣[16]。這些意外狀況的發生暴露了當前探測器自主性弱、環境感知與風險評估能力不足、制導與控制精度低、對突發風險和系統故障應對不充分等多重技術問題，凸顯了以風險預測技術和自主應急策略為核心的主動附著技術的重要性。

3 小天體主動附著關鍵技術及研究進展

針對已實施任務在主動附著技術上存在的不足，為確保探測器附著過程的安全、穩健，提高附著任務成功率，研究人員多年來對小天體主動附著技術開展了一系列研究。以下分別從環境準確感知、附著軌跡快速規劃與精確制導以及風險規避控制策略三個方面對主動附著相關關鍵技術進行回顧。

3.1 主動附著環境感知技術

準確的環境感知是安全附著的先決條件。當前，小天體附著外部環境風險預測以危險地形的檢測與識別為主。探測器在接近小天體表面的過程中一般依靠有源傳感器和無源傳感器，結合自身狀態和地形環境的估計結果，展開障礙檢測與風險分析，其工作原理分類如表1所示。有源傳感器包括LRF和LIDAR。目前NASA正在推進自主著陸障礙規避技術(Autonomous landing and hazard avoidance technology, ALHAT)計劃[23]，在此框架下，噴氣推進實驗室開發了自主地形障礙檢測算法，該算法將探測器形狀、姿態與LIDAR地形圖的障礙、斜坡等信息相結合，并綜合考慮導航和地形檢測誤差，快速標示出安全性高的附著區域[24-25]。然而有源傳感器相關設備質量大、成本高、應用條件苛刻，僅適用于探測器距離小天體表面足夠近、運動幅度較小、姿態較為穩定的情況。另一方面，以光學相機為代表的無源傳感器則在體積、質量、成本和應用范圍上優于有源傳感器[26]。不同于LRF和LIDAR可以直接測量小天體表面高程信息，光學相機地形檢測需要先根據實拍圖像計算高程圖，再根據高程圖得到坡度、粗糙度、巖石障礙分布等信息，常用算法包括立體視覺(Stereo vision, SV)、運動立體視覺(Stereo from motion, SFM)和陰影構型(Shape from shading, SFS)三種，其工作原理如圖2所示。Woicke等[27-29]應用這三種算法對小天體附著場景進行了仿真與效果對比，并發現在合適的場景下，三種算法對危險地形的漏判率都較低，SFS更適合在數百米至數公里的高度應用，而SFM和SV則更適合在數十米的高度下發現凸起巖石障礙。

圖2 SV、SFM、SFS算法原理示意圖[28]Fig.2 Working principles of SV, SFM, and SFS[28]

表1 附著區域障礙檢測原理分類Table 1 Landing area hazard detection principles

基于有源和無源傳感器的地形障礙檢測算法普遍以坡度平緩和粗糙度低作為安全附著區的評價標準，忽略了實際任務需求、探測器導航誤差和附著燃耗、推力上限等約束。例如隕石坑內部的平坦區域，雖滿足安全附著條件但限制了探測器在表面的進一步移動。Wei等[30]在表面粗糙度檢測算法中加入了對類似隕石坑的封閉區域的檢測，并將其標記為危險區。Cui等[31]設計了一種基于安全因子的最優附著點選取方法，在地形安全性基礎上加入附著過程燃耗和附著姿態等因素，提出了“安全因子”的概念，并以此為優化指標對最佳附著區域進行搜索。針對具有確定影響范圍的地形障礙，Yuan等[32]基于探測器自身狀態不確定性建立了以探測器為中心的橢球形安全區，并利用安全區與地形障礙的相對位置關系計算碰撞概率，預測當前狀態下探測器受到地形障礙影響的程度，并以此為依據設計避障方法。

目前，利用傳感器高程圖計算地形安全性的算法存在過度保守的問題[28]。過于敏感的危險檢測機制既限制了探測器的可達范圍，又容易導致探測器不必要地進入應急模式。另外，無源傳感器的檢測準確度受探測器導航誤差影響較大，且在處理完全平坦的地形圖片時會嚴重失準[29]。由于小天體表面觀測往往面臨目標暗弱、可提取特征信息稀疏等問題，后續研究工作應著眼于有限觀測條件下的地形特征準確估計方法，在保證對危險地形漏判率足夠低的前提下降低對安全地形的誤判率。此外，還應更多地結合探測器自身運動狀態和實際工程需求，提出更加合理的安全附著區域判斷標準。

3.2 主動附著軌跡快速生成與制導技術

為應對小天體附著過程中可能遇到的多重風險，探測器需要同時具備自主快速生成安全附著軌跡的能力和有效應對突發風險的高精度制導能力。隨著探測器接近小天體表面，環境感知和風險評估信息不斷更新，附著軌跡和推進器控制序列也須隨之進行持續的調整，應對新出現的障礙或風險。發展快速軌跡優化方法和自適應程度高的制導技術是實現主動附著的關鍵。

3.2.1附著軌跡快速生成技術

小天體附著軌跡設計可視為給定探測器初始與末端狀態，以燃料消耗最少或時間最短為指標，在路徑約束和控制約束下的最優控制問題。由于附著軌跡需要跟隨環境信息的更新不斷調整，要求優化算法在星載機上的計算時間與附著制導周期的量級相當。求解此類優化問題的方法主要分為直接法和間接法兩類。

直接法將連續的軌跡優化問題轉換為離散參數集合的非線性規劃問題，采用數值方法搜索最優解，直接法的各種應用形式如表2所示。一種經典的離散化方法是使用多項式擬合附著軌跡，將多項式有關參數集合作為優化對象，如Lunghi等[33]使用關于時間的最小階多項式描述附著軌跡，對多項式系數進行非線性最優搜索。多項式形式簡單，計算速度較快，但無法考慮復雜約束。袁旭等[34]采用高斯偽譜法對附著軌跡多項式離散插值點的狀態與控制量進行非線性優化，得到燃耗最優軌跡，可保證滿足控制約束，但計算時間較長，收斂性欠佳。為解決局部最優和收斂性差的問題，凸優化方法逐漸得到應用。凸優化首先通過約束松弛等手段將問題轉化為無局部最優的凸問題，并將動力學方程線性化，再對離散的控制序列進行優化搜索。Yang等[35]將時間最優附著軌跡優化問題與最小附著誤差問題結合，給出了時間最優附著軌跡的凸優化解算方法。Pinson等[36]和劉延杰等[37]則使用凸優化技術解決了燃耗最優附著軌跡的計算問題。

表2 軌跡優化直接法分類與特點Table 2 Classification and characteristics of trajectory optimization direct method

間接法以最小值原理為基礎，尋求得到最優控制序列的解析形式，以規避直接法計算量大的缺點，其面臨的主要困難是協態變量初值搜索問題，Jiang等[38]提出了一種結合啟發式質點群搜索和同倫法的協態初值逼近方法，Yang等[39]使用上述方法實現了小天體燃耗最優附著軌跡的解析求解。Ren等[40]則進一步在使用同倫法的過程中加入了可靠性設計原則，得到了參數不確定條件下的燃耗最優軌跡設計方法。但已有的協態初值搜索方法仍存在收斂性差，計算效率低的問題，限制了間接法作為一種解析方法計算速度快的優勢。

目前尚沒有通用的方法可以同時滿足軌跡優化最優性和實時性的要求，具備實時性的方法則需要對問題做簡化處理，或放寬約束條件，或尋求非最優解[41-42]。Dueri等[43]在部分特定的行星著陸場景下，從算法層面對內點法進行精簡化處理，計算速度有明顯提高。此外還有部分最新研究工作將機器學習技術應用到附著軌跡生成中，如Cheng等[44]使用深度神經網絡對探測器在不規則弱引力場中的最優附著控制序列進行訓練，雖然其用于訓練的數據集來源于仿真而非實測，可靠性還需進一步論證，但是機器學習具備的實時性優勢，使其仍然具有廣闊的研究前景。

3.2.2精確附著在線制導技術

面對復雜未知的實際任務環境和多重擾動因素的影響，探測器不僅需要理想狀態下標稱附著軌跡生成策略，還需要采用閉環制導方法保證附著的精度和穩健性[7]。閉環制導方法可以對標稱附著軌跡進行跟蹤，也可以在無標稱軌跡條件下直接求解控制序列。在設計過程中，制導方法的實時性、精度和復雜擾動下的穩定性是重要的考慮因素。

早期的帶反饋附著制導律形式比較簡單，如D’Souza[45]提出一種基于變分法的解析能量最優附著制導律，計算量小，實時性強，但沒有考慮路徑約束和推力上限約束，且預設任務條件比較理想，在復雜的動力學環境中缺乏抗擾能力。為抑制擾動帶來的附著誤差，Li等[46]在基于多項式的附著軌跡基礎上，使用誤差相平面最優控制策略和PD控制對標稱軌跡進行跟蹤。胡海靜等[47]采用有限時間的線性二次型狀態調節器跟蹤燃耗最優標稱軌跡，并基于對運動狀態不確定性的估計結果設計性能指標中正定陣的取值，使其可靈活調節擾動抑制的強度。Li等[48]利用小天體附近的姿態-軌道耦合運動特征，設計了一種僅靠姿態控制就可以完成標稱軌跡跟蹤的制導方案，使得探測器在推進系統故障的情況下仍可以完成附著，顯著提高了任務的抗風險能力。另外，還有部分最優制導律無需跟蹤標稱軌跡，如Hawkins和Guo等[49-50]提出使用零控誤差/零控速度(Zero effort miss/Zero effort velocity, ZEM/ZEV)指標設計反饋能量最優制導律，高艾等[51]將自主導航誤差引入反饋制導律的優化項中，抑制了導航誤差對制導精度的影響。

滑模控制由于其出色的全局穩定特性也被廣泛用于小天體附著制導研究中。Huang等[52]使用變結構滑模控制實現對標稱最優軌跡的跟蹤。Furfaro等[53]和袁旭等[54]使用多滑模面的高階滑模控制設計了無標稱軌跡的反饋制導律，靈活度較高，可以應對目標附著點的臨時更換等復雜情況，具有很好的實時性。模型預測控制由于對系統的參數不確定性具有較強的適應能力，也在小天體附著制導領域受到關注。Carson等[55]利用模型預測控制方法對小天體附近的軌跡路徑點生成與跟蹤性能進行了研究。Alandihallaj和Assadian[56]提出了一種“多視野多模型”的預測控制方法，用于跟蹤預測生成的路徑，在保證附著精度和控制穩定性的同時減小了計算量，有利于在線實施。

目前提出的附著反饋制導方法，理論上在快速性、精確性和穩定性上均能滿足探測器星上自主運行要求，其中無標稱軌跡的方法形式更為簡潔，實時性占優，跟蹤標稱軌跡的方法在燃耗、時間的最優性上表現更好。將上述技術轉化為實際工程應用的主要挑戰在于參數調節的困難性。附著軌跡的性能對最優制導律中優化指標的權重分配、PD控制器比例微分項的取值、狀態調節器中QR矩陣的變化等因素都比較敏感，而不同小天體環境差異大，在線調參試錯空間小，未來需要對各種制導方法的參數調節機制進行更加深入的研究。

3.3 主動附著自主避險控制技術

探測器在即將接觸小天體表面時，可能遭遇多種形式的突發風險，如探測器部分硬件突發故障，或自身下降速度超出預期，或下方表面存在預料之外的小尺寸巖石、溝壑，或由于控制偏差意外接近丘陵、山谷等特殊地形等。上述因素容易導致探測器在接觸表面后發生傾覆、彈跳甚至墜毀。因此，探測器需要具備一套反應靈敏、適應性強的用于緊急避險的安全控制策略，確保附著順利進行。

在探測器附著過程中對突發故障的診斷與分析問題上，探測器故障檢測、隔離與恢復系統(FDIR)的自主化是重要的研究方向之一。針對小天體附著任務，故障診斷和應對難以依賴地面測控的輔助，目前已有較成熟的借助星上多傳感器交叉驗證和高效投票機制的故障診斷方法，而應對硬件故障則主要采用重要設備冗余配置[57]。最新的自主FDIR系統可以保證探測器不因為任何一處獨立故障而徹底失效[58]。同時，相關魯棒控制系統的研究也使得探測器在部分控制器無法工作的情況下仍然能夠完成附著任務的軌跡與姿態控制工作[48]。

面對附著過程中的地形障礙，使用軌跡形狀約束或采用勢函數法等設立禁飛區，是一種經典的避險策略設計思想。其中最直接的方法是在軌跡優化制導的過程中加入錐形約束，將附著軌跡控制在以著陸點為頂點的錐形范圍內[33]。Cui等[59]提出了“凸軌跡曲率控制”的思想，在解析能量最優制導律[45]的基礎上，通過調整推力輸出，使著陸軌跡在軌跡平面上始終保持負曲率狀態，減小與地形障礙碰撞的概率，其設計思想如圖3所示。

圖3 負曲率軌跡避障原理示意圖[59]Fig.3 Hazard avoidance principle of a negative-curvature trajectory[59]

上述方法形式簡潔，實用性很強，但尚未具備根據實際地形狀況修正軌跡形狀的能力。為了使避障控制具備更強的靈活性，Long等[60]根據地形變化情況調整能量最優制導律優化指標中的時間控制項，確保附著軌跡與小天體表面的相對高度始終不為負，以避免碰撞。胡海靜等[61]將探測器當前狀態和實時檢測危險地形勢函數相結合構造Lyapunov函數，設計了附著避障姿軌控制方法，該方法為解析形式，計算效率高，實時性強。Lee等[62]設計了探測器與地形障礙碰撞的罰函數，并將其應用到最優控制序列的計算中。Yuan等[32]則通過地形障礙和探測器自身運動的不確定性范圍共同劃定禁飛區域，其風險評估原理如圖4所示。此外，模型預測控制也可以應用于設計障礙規避方法，Reynolds等[63]以及Ge等[64]均進行過針對該領域的研究。

圖4 誤差橢球法風險評估原理[32]Fig.4 Risk assessment principle of error ellipsoid method[32]

在已實施的小天體附著任務中，設計一種應急安全模式，使探測器在意外情況發生時轉移到可較長時間保持穩定的安全軌道上，是常用的風險應對策略。然而這種單一的應急模式難以防范復雜多變的任務風險，例如Hayabusa探測器遇到障礙報警時由于姿態約束不滿足而無法執行緊急中止程序[16]。為探索更靈活的應急模式設計，相關研究著眼于在探測器處于危險場景時根據實際情況設計多樣化的軌道機動策略。Cui等[8]基于凸優化軌跡控制策略和小天體表面彈跳機制，設計了一種著陸位置轉移策略，如果探測器一次附著后發生彈跳，應急控制策略將抑制探測器逃逸，并快速選取新的附著點和計算新的附著軌跡。此外，Cui等[65]還針對附著風險的不同等級設計了三種應急控制模式，探測器可在附著過程中根據實際風險確定進入相應的安全狀態，并實時規劃轉移軌跡。目前，針對緊急避險的軌道轉移策略研究還處于起步階段，尚未考慮任務模式切換時的姿態約束、探測器高度極低狀態下水平方向的障礙檢測與規避等問題，需要將動力學與控制研究和先進的探測器任務規劃方法相結合，提高安全策略的可操作性。

4 結束語

小天體附著探測面臨未知環境、多源擾動和復雜地形障礙等多重安全風險，提高風險主動防范能力對于未來實施更加復雜的附著任務具有重要意義。為構建探測器主動附著技術體系、改善附著任務安全性，需要從提高環境感知能力、軌跡快速規劃與穩健制導能力、應急避險控制能力三類關鍵技術開展研究，其中以下幾個方面問題值得進一步研究探討：

1) 欠觀測條件下地形特征精確估計問題。小天體表面特征的觀測與識別受光照條件、探測器運動狀態、傳感器特性等因素影響較大，在環境暗弱、特征信息稀疏的情況下識別準確率有待提高，應在多種測量信息融合估計和環境智能感知技術上進行深入研究。

2) 表面地形安全性評估標準問題。當前對于小天體地形安全性評價標準繼承于月球、火星著陸的相關經驗，而小天體表面情況更為復雜，需要額外考慮附著區域引力方向、逃逸速度等動力學特性，以及進一步開展采樣或移動勘察等活動的便利性。

3)制導控制參數自主調節問題。控制參數對附著控制的穩定性和精確性影響顯著，需要根據小天體附近動力學環境與探測器自身的狀態進行合理調節。閉環制導與魯棒控制方法應該與高效的環境參數辨識技術相結合，提高自適應程度。

4)小天體表面運動軌跡規劃與控制問題。探測器避險控制策略涉及探測器在小天體表面彈跳與低空緊急制動與安全轉移等情形，需要對接觸與彈跳動力學機制和水平方向障礙檢測與規避問題進行深入分析。

5)探測器附著機構結構創新設計問題。主動附著制導與控制技術創新研究應該與探測器附著機構的物理特性相適應，同時也可以從創新附著機構設計的角度入手提高附著控制的穩定性，例如采用柔性附著機構，以抑制彈跳和傾覆現象。最終形成一套從硬件到軟件的完整主動附著技術體系。