深空探测

5. 发 展 与 展 望
一、发展
嫦娥二号卫星 于2010年10月1日成功发射。 2011 年 8月 25 日成功捕获入轨，使我国成 为继美国、欧空局之后第 3个实现日-地拉格 朗日点探测的国家, 同时也是首个从月球轨 道出发探测日-地拉格朗日点的国家。卫星在 目标Lissajous 轨道飞行200余天，完成了多 项科学探测和工程试验任务。
• 月平轮廓圆及其它的像
S 表示卫星所在的位 置，过 点做月球椭 球面的切线，切点组 成的封闭曲线为月平 轮廓圆，轮廓圆所在 的平面为月平平面。
建立月球敏感器的 测量坐标系Fse（红 色线）其原点Ose为 敏感器焦点，Zse沿 着相机的光轴方向， Xse与像平面的基准 线平行，Yse与Xse 和Zse 构成右手直角 坐标系。 在像平面也建立相 应坐标系。各轴与 Fse的轴相平行。 其中Fm为相机的 焦距。轮廓圆上的任 意一点P在像平面上 的像为 P’,所有的像 点构成的封闭曲线就 是轮廓圆所成的像。
由上述可得到月心矢量在敏感器测量坐标系中 的坐标，进而可求解出俯仰角和滚转角即可知 相对位置和姿态信息。
4. 光学自主导航的主要流程
探测器的飞行段
1.
2.
3.
4.
5.
巡航段
目标捕获段
飞越段
环绕段
着陆段
在不同的飞行阶段探测器所处的空间环境不同，光学敏感器 拍摄的目标对象不同，图像处理的算法在细节上也有不同，但 对于每个飞行阶段，光学自主导航涉及到的主要流程是大致相 同的。下面以“深空1 号”任务巡航段基于小行星的自主导航 为例[6,7]，讲述光学自主导航的主要流程。
第二步：筛选导航小行星
由于深空探测巡航过程中拍摄小行星的 光学数据是确定航天器位置的唯一数据 源，因此导航小行星序列的优劣就直接 影响自主导航的精度。
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3
第四步： 图像处理
图像处理的结果就是光学自主导航的观 测数据，图像处理能力的强弱直接影响 导航定位的精度。
第三步：拍摄小行星
小行星拍摄效果的好坏及拍摄图像的数 量将直接影响图像处理的结果和观测数 据量。
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【5】王大轶,黄翔宇.深空探测自主导航与控制技术综述[J].空间控 制技术与应 用,2009, 35(3):6–12. 【6】Riedel JE, Bhaskaran S, Desai S, et al. Deep Space 1 Technology Validation Report-Autonomous Optical Navigation JPL Publication, JPL, Pasadena CA, USA, October 2000 【7】Bhaskaran S, Desai SD, Dumont PJ, et al. Orbit Determination Performance Evaluation of the Deep Space 1 Autonomous Navigation System. AIAA/ASS Space Flight Mechanics Meeting, Monterey, 1998
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巡航段光学自主导航的流程为
第一步：设计标准轨道
第六步： 轨道机动
根据轨道确定的结果调整当前轨道 与标称轨道之间的偏差，以满足任 务的需求。
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1 2
这是整体任务的第一步，标称轨道 设计质量的优劣，将直接影响巡航 段自主导航中导航小行星的筛选序 列。
第五步： 轨道确定
根据图像处理得到的观测数据及航天器动 力学方程。
在嫦娥二 号成功完成 任务的时候， 我们还得重 视在这个过 程中的一个 细节，那就 是紫外自主 导航技术的 试验。
二、展望
光学自主导航技术因具有众多的优点和潜在的 价值，其在国外的深空探测活动中已经成功验证 并逐步开始在实际任务中应用。随着光学敏感器 技术的进一步发展及对其他技术研究的进一步深 入，自主导航技术将成为未来深空探测的发展必 然趋势，并且将对未来的深空探测任务起到深远 的影响。
随着深空探测任务的实施,国外深空探测航天器控制技术的发 展经历3个阶段：
发展历程
1
遥测遥控(地面控制)
Telemetry and Telecontrol System
发展 历程
3
2
半自主控制
Semi-autonomous control
自主控制
autonomous control
3. 光学自主导航的工作原理

有了月平圆轮廓成像图，再加上一些公式的 推导，我们可以计算出敏感器测量坐标Fse和 像坐标之间的对应关系，从而提取月球圆盘的 边缘信息。
• 确定月心矢量
月心矢量的确定包括两部分:月心距和月心单位矢 量的确定。
在假设月球为理想圆球的前提下，我给大家介 绍一下辅助单位球的计算方法。
如果月心在像平面上的坐标为( Xm，Ym )已知, 由敏感器的成像原理 可以得到由月心指向卫星的单位向量在Fse坐标系中的坐标
一、光学自主导航的基本概念 光学自主导航技术是利用光学测量装置观 测天体以引导探测器正确安全航行的技术。
二、光学自主导航的工作原理 光学导航的工作原理是探测器利用自身 携带的光学相机或者其它成像仪器观测目 标行星或者目标行星上的特征路标（针对 最终接近段和着陆段光学导航而言），然 后处理观测到的光学图像信息，进而确定 探测器的相对位置和姿态信息。
确定探测器的相对位置和姿态信息
月球紫外敏感器的简述
月球紫外敏感器是环月卫星光学自主导航系统 中的核心部件。 月球紫外敏感器是一种成像式敏感器，它的 视场能够达到150度，主要功能包括两部分： 图像获取和图像处理。
月球紫外敏感器的工作原理
月球紫外敏感器的工作原理：首先，对月面成 像，获取月球图像；然后，利用图像处理的知识 提取月球圆盘的边缘信息，根据月球圆盘和太空 背景之间的亮度差，得到月球圆盘的真实边缘， 并与晨昏分界线相区分，逐一建立各边缘点的空 间矢量；最后，根据这些空间矢量的集合，得到 月心矢量在敏感器测量坐标系中的坐标，进而求 解出俯仰角和滚转角即可知相对位置和姿态信息。
Deep-Space Exploration
深空探测中的光学
——光学自主导航技术
讲解人:王豪
小组成员：白钰 成祎珊 李茜 邵龙 吴杨
目录
1.深空探测自主导航技术发展的背景
2.深空探测自主导航技术的发展历程
3.光学自主导航的工作原理
4.光学自主导航的主要流程
5.发展与展望
6.参考文献
背景
随着人类探索太空能力的不断增强，深空探测逐渐成为了 世界各航天领域的新热点。 深空探测与近地空间测控最根本的一个区别就是“远”[1]， 然而这个“远”字却给深空探测任务带来了诸多的难题。首先 最明显的就是通信时延巨大，这样会给航天器的安全生存问题 带来了潜在的威胁。由于时延巨大，地面测控很难立即对航天 器的故障进行干预处理，这就相当于增加了探测器的安全风险。 因此，要求航天器有一定的自主导航及控制能力，特别是对于 深空探测载人航天器，这一点显得尤为重要。为了克服地面测 控中遇到的困难，深空探测中的自主导航技术在20世纪60年 代就引起了人们的重视。
THANK
YOU～
6 参考文献
参考文献
【1】柴霖， 许秀玲. 深空测控体系结构与技术发展.电讯技术， 2010,50(8): 1-6 （Chai Lin, Xu XiuLing. Architecture and technology development of deep space TT&C communication system. Telecommunication Engineering, 2010, 50(8): 1-6(in Chinese)) 【2】Bhaskaran S, Riedel JE, Synnott SP, et al. The Deep Space1 autonomous navigation system - A post-flight analysis.AIAA/ AAS Astrodynamics Specialist conference ， Denver,2000 【3】Kubota T, Hashimoto T, Kawaguchi J, et al. Navigation guidance and control of asteroid sample return spacecraft: MUSES-C. In: the Proceedings of 4th ESA International Conference on Spacecraft Guidance Navigation and Control 【4】Mastrodemos N, Kubitschek DG, Synnott SP. Autonomous navigation for the Deep Impact mission encounter with comet Tempel 1. Space Science Reviews, 2005, 117(1-2):95-121