2018年中国空间技术研究院神舟学院的“深空探测技术概论”课程即将结束，学生们针对载人深空探测任务进行了创新性设计构想，现摘录一些学生的优秀作业与读者分享。（注：已经作者授权。）学生们结合自己所学的专业进行了思考，他们的认识或许稚嫩，或许不成熟，但都代表了他们对未来的思考，还请同道中人留言点评指导。
作者：魏龙涛，中国空间技术研究院510所在读硕士生
摘 要：未来人类随着科学技术的进步对宇宙的探索将越来越远，深空探测器 距离地球的距离也将越远，飞行时间也将进一步增加，随处的环境也将更加负 责、苛刻，利用地面测控站对深空探测器的遥控和遥测也将难以满足对任务的 实时性以及对探测器的安全性要求。未来探测器上的自主技术将是深空探测器 上的关键技术，未来深空探测器将在无人参与的情况下，自主的进行探测任务 的规划调节、命令执行、星上状态的监测与故障修复。本文主要介绍了未来深 空探测器的自主任务规划、自主导航与控制、自主故障处理、自主任务操作以 及深空探测器利用自主技术的益处。
关键词：深空探测；自主技术；导航控制；故障处理；任务操作
随着人类探索太空能力的不断增强，深空探测已成为航天领域的热点。对小行星、彗星、行星以及其卫星等天体的探测是人类认识地球、了解太阳系和 宇宙起源的重要途径，也是发展空间科学、提高空间技术的必经之路。由于深空探测器飞行距离远、运行环境复杂、任务周期长、与地球通信存在较大的时间延迟等特点，现有测控体系无法实时对深空探测器进行操作控制、难以保证长时间任务过程中的安全运行和快速大量科学数据回传；此外，未来深空探测任务不断增多，探测周期长，单靠地面测控导航需要占用大量的地面测控资 源，发展探测器自主技术不仅可以提高探测器生存能力、节约地面测控资源， 并且可以满足特殊任务需求。
在未来的深空探测器中，设计人员希望可以构建一个自主系统，将地面站功能与航天器无缝组合，形成一个闭环的自主控制回路，使探测器可以自主在轨完成任务规划、命令执行、故障诊断和恢复等。航天器可以根据从地面接收的高级命令，产生某段时间内满足飞行约束和资源约束的规划序列，并将此任务规划序列转化为探测器硬件系统可以执行的低级指令；执行过程中检测命令执行情况，并根据测量的信息推断探测器的健康状况，进而进行系统重构或故 障恢复等。要实现无地面参与的深空探测器自主运行，需突破自主任务规划技术、自主导航与控制技术、自主故障处理技术、自主任务操作技术等。
1 自主任务规划技术
深空探测器自主任务规划技术是实现自主技术的核心。它根据空间环境的感知和认识以及深空探测器本身的能力和状态，利用计算机知识建模技术、人工智能搜索技术等，依据一段时间内的任务目标，对若干可供选择的动作及所涉及的资源约束进行推理，自动生成一组时间上有序的活动序列，即“规划” （Plan）。
深空探测器自主任务规划的输入是：初始状态、任务目标、领域知识。输出是：一个合理规划，即开始于初始状态、满足于星上的各种约束条件并能在 成功执行后将探测器状态转移到目标状态的一个动作序列。
通过对星上已存知识、各种敏感器获得的探测器目前状态以及周围环境知识的处理，得到可达到目标状态的合理活动序列。自主在轨任务规划技术不仅降低了深空探测任务由地面站收集信息、处理、形成命令序列的操作代价，同时也增加了任务应对深空多变环境的能力。
未来深空探测任务自主规划技术所面临的特殊情况主要有：复杂的资源约束、时间约束、活动之间并发性约束、探测环境的不确性、星上资源有限等。所以深空探测任务规划中所亟待解决的关键技术主要包括：数值/逻辑混合规划 知识建模技术，规划空间快速搜索技术，资源的优化和处理技术，时间约束的处理技术等。
2 自主导航与控制技术
自主导航与控制系统是实现深空探测器自主管理的重要组成部分。其主要功能是实现在没有地面站测量的情况下，利用星上敏感器获取的信息，自主确定探测器的姿态和位置，为深空探测器自主运行提供参考基准，并自主的给出控制指令，完成探测器空间状态的改变。由于无线电通讯传输的限制，深空探测任务要求航天器具有自主位置和姿态确定与控制能力。星上自主导航与控制的实现将会降低系统的复杂性和运行成本。
自主导航与控制系统主要功能包括：导航信息处理、轨道自主确定、轨道自主修正及星历修正、姿态自主确定与控制等。 自主导航与控制系统主要由导航信息采集部分、导航信息处理部分、机动与执行部分 3 部分组成。其中导航信息采集部分接收数据采集命令，进行图像等导航数据的采集，对这些数据进行处理分析。
导航信息数据处理部分主要实现两个方面功能：一接收测量数据，结合动力学递推数据及其他先验信息，自主估计探测器的姿态与位置，并完成轨道预报及星历修正；二根据导航信息和星历信息进行下一时间段内轨道的规划，并计算探测器进行轨道机动所需的推力及姿态指令，将其传送给执行部分。
机动与执行部分包括姿态机动控制部分和轨道机动控制部分，其功能主要是作为自主导航系统的执行机构，根据自主导航与控制系统的要求完成轨道机动和修正。
未来自主导航与控制技术所研究的重点主要有：
（1） 导航信息获取与目标特征识别
深空探测导航的主要途径是利用导航敏感器获取深空天体目标（如小行 星、卫星等）的光学信息进行导航。而深空中许多天体属于暗弱目标，因此需要相机长时间曝光，获得可用导航图像，但平台的运动和姿态指向控制的精度 问题会造成图像的模糊和拖影，给图像处理和目标识别带来困难。因此为了能够为自主导航系统提供可用的信息，快速确定深空探测器的位置和速度，需要对目标特征提取方法。序列图像处理方法、背景星剔除与目标星识别技术等进行深入研究。
（2） 多源信息融合与轨道快速自主估计
深空探测自主导航最主要的功能是通过获取的多源导航信息，快速确定深空探测器当前时刻的空间状态，并给出下一周期内探测器的轨道。因此对于深 空探测器而言，寻找合适的多源信息融合与快速估计方法，以提高探测器状态的估计精度，尽量降低算法运算负担，保证自主导航与控制系统实时性与快速 性，是该方向的一项主要研究内容。
（3） 深空轨道快速规划与自主机动执行
深空探测器轨道快速规划与自主机动是指在不依赖地面的情况下，根据导航系统获得的航天器位置和姿态信息，在轨完成多约束条件下未来某段时间内飞行任务轨道的规划，并设计机动实施策略，以提高探测器的应急能力，减少探测器对地面的依赖。星上计算资源有限，利用优化算法进行轨道规划难以在轨实 现，因此通过对优化轨迹的特点进行分析，寻找快速求解生成可行的规划轨迹是自主导航与控制中必须解决的关键问题。如何充分考虑深空探测器动力学以及各种约束，快速实现终端状态的解耦，生成可行的、易跟踪的探测任务轨道，是解决深空探测自主轨道控制的关键技术。
随着深空技术的发展，未来单一的导航技术将无法满足系统要求，将天文导航与其他方法相结合构成组合导航系统，实现优势互补，提高导航系统的精度。根据星图、测距、多普勒频移、脉冲星导航、惯性导航器件等传感参数， 利用广义滤波、广义融合等算法，实现深空探测器位置及运动参数的准确解算。未来还可以通过建立太阳系内高精度引力场模型以及太阳风模型，融合其他导航技术，进一步提高探测器的导航精度。
3 自主故障处理技术
自主故障处理技术用来监视任务规划结果的执行情况，并识别故障模式， 进行故障恢复，保障航天器的安全运行。其主要包含故障模式识别和故障恢复两部分。
故障模式识别部分跟踪规划活动序列的执行，识别规划序列中各个活动是否正确执行；故障恢复部分通过系统的当前状态信息确定探测器上相关原件/部件当前的状态，当有故障存在时，故障恢复模块负责提出重新构造或恢复策略。其可以被看做是一个基于模型的离散控制器，其中模式识别部分相当于敏感器测量部分，故障恢复部分相当于执行器部分。模式识别中的模式推力允许执行模块根据原件的模式来推断航天器的状态。故障恢复部分支持运行时产生新的配置。
故障诊断与恢复模块可以监视执行模块发送给硬件管理器的命令。当执行每一个命令时，故障诊断与恢复模块获得飞行器的传感器测量值，或是由其他子系统设备管理器模块反馈的检测结果。在正常情况下，故障诊断与恢复模块 仅仅确定这些命令是否对飞行器状态起到了预期的作用。在故障情况下，故障诊断与恢复模块诊断出故障原因和当前飞行器状态，并给出一种可行的恢复方案。
4 自主科学任务操作技术
深空探测的主要目的是进行科学探测，探测获取的数据将会被下传到地面，由科学家进行分析并获得对宇宙空间的新认识。但由于深空探测距离比较远，数据传输速率比较低，深空探测数据存在很大的时间延迟，导致深空探测器错过一些重要的科学探测机会。为了使探测器能够发现当前发生的科学现象，自主生成可行的科学观测任务序列，探测器需要具有一定的科学数据分析、自主反应的能力。另外随着探测器上所携带仪器数量的增加以及探测任务时间的加长，所获得的科学数据成指数增长，这样大量的数据不可能全部通过 深空网络传回地面进行处理，因此探测器应具有对所观测到的科学数据进行初步处理和筛选的能力，将可能有用的数据或敏感数据传回地面供科学家分析使用。此外，它还能够在数据初步分析的基础上，随时发现科学家感兴趣的现象，并进行跟踪观察，这便增加了科学现象观测的实时性。
5 结语
深空探测器系统级自主是深空探测自主技术的发展趋势。目前大部分航天器仅仅是实现了部分子系统的自主运行，但随着深空探测任务的多样化和复 杂化，系统级自主需求越来越迫切，实现在无人干预情况下的长期系统级自主是自主技术发展的必然方向。
目前对深空探测器自主技术中的任务规划搜索机制、自主执行模式识别判断准则、故障模式建模手段、星上系统的自主化结构等方面的认识还存在很大 的差距，这严重制约了该技术的进一步发展与全面推广。掌握深空探测器自主 运行的关键技术，完成星上任务自主规划与调度、状态监测和故障恢复、命令 执行和监测，可实现深空探测器在无人干预情况下的长时间自主安全运行。自 主技术不仅可以解决未来深空探测中所面临的多种问题和矛盾，同时也可以用 于近地卫星的自主操作和控制，减少卫星的地面操控费用。
深空探测器在轨自主技术已成为空间探测领域中亟待解决的一项关键使能技术。
微信号：星际航行。专业品质、照耀未来！
长按二维码、识别二维码