[科普中国]-光学导航系统

光学导航研究现状与分析

狭义的相对导航指的是探测器相对位置的确定，而广义的相对导航包括了探测器相对位置和姿态估计。相对导航是以测量探测器之间或者探测器与目标体之间相对距离、方位信息为基础，进而确定出某一探测器相对于其他探测器或目标体的位置、姿态信息。通常，绝对导航给出的是探测器在某一惯性参考系下的坐标、方位;而相对导航给出的是被导航探测器相对于非惯性系的位置坐标。相对导航技术随着近距离的交会任务的实施而不断地发
展、完善起来。近距离高精度的相对导航技术在航天器编队飞行、空中加油和探测器星际软着陆中有着广阔的应用前景。
光学导航是借助于光学敏感器测量来确定航天器相对位置和姿态的一门技术，由于其导航精度较无线电导航更高，故又成为光学精确导航。光学相对导航技术的研究工作开始于上世纪60年代的美国，旨在为宇宙飞船交会
对接提供精确的导航信息。在此后的30多年间，空间探测和军事活动对光电传感器的需求口益迫切，美国、法国、日本、德国和加拿大等国先后发展了各种光电传感器，分别应用于卫星和宇宙飞船的交会对接、直升机着陆和星际软着陆等任务中。1

光学导航敏感器发展现状光学导航敏感器是光学导航系统的关键组成部分，针对不同的任务的需要，各航天大国和航天组织发展了一系列的新型的光学导航敏感器。2

导航相机导航相机是许多深空探测器用来导航的光学敏感器，也是收集科学数据的图像设备。在“水手”(Mariner)和火星探测“海盗”(Viking)任务上首次验证了深空探测光学导航，“旅行者”（ Voyage第一次利用光学导航来完成主要导航任务。在“伽利略”（Galileo）号探测器接近和飞越Ida和Gaspra小行星任务上成功地应用了光学导航。NEAR探测器上安装的多光谱成像仪的MSI（ Muti-Spectral Imager）由一个帧频为1Hz的对可见光和接近红外波段敏感的CCD相机和一个数据处理单元组成。MSI的主要科学用途是测量433号小行星Eros的体积和测绘其表面形态，同时它也是探测器被小天体引力场捕获前的关键导航测量设备。

VisNavVisNav是由美国Texas A&M大学开发的适用于近距离自主接近操作的新一代低成本、多用途光学导航系统。该系统由模拟光电传感器、特殊的结构化光源(标灯)组成。其中，位置敏感器PSD位于宽视场透镜的焦平面上。标灯发出的光经过透镜折射照射到PSD的主动区域并沿着四个正交方向产生电流，再经过适当的电子数字处理过程得到入射光方向视线的精确测量。最后，利用得到多个视线矢量测量，VisNav系统嵌入的数字信号处理器DSP可以计算得到航天器的六自由度相对位置和姿态信息。

激光雷达/激光测距仪激光雷达/激光测距仪是MUSES-C任务将要使用的光学敏感器。LIDAR是一个脉冲激光雷达，其范围精度为士10m在距离~50km左右和士lm在距离_50m左右。当探测器距离小行星表面50km时，LIDAR开始测量探测器与小行星表面的距离。LIDAR的范围测量功能主要用来测量目标小行星的引力场、形状和表面粗糙度。当探测器距离小天体距离小于50m时，MUSES-C探测器将利用激光测距仪(LRF-Laser Range Finder)来测量探测器距离小天体表面的距离。 NLR（NEAR Laser Rangefinder）是NEAR任务中发展的红外脉冲激光测距仪，用来测量探测器和目标小行星Eros之间的相对距离。NLR数据和其他导航数据相结合可以对目标小行星的体积、质量和地貌特征进行精确建模。罗塞塔任务也发展了激光扫描测距仪LRF ( Laser Scanning Range Finder），用于最终着陆段的地形辅助导航。

激光成像测距仪/激光测距相机激光成像测距仪/激光测距相机随着各种新型交会任务的提出和发展，需要新一代的高精度、鲁棒性好的导航敏感器与之相适应，激光成像测距仪LIR ( Laser Imaging and Ranging)和激光测距相机LRC ( Laser Range
and Camera)在这种背景下应运而生。 LIR和LRC综合了光学导航相机和激光测距仪的测量功能，可以同时测量探测器和目标之间的距离信息和图像信息，即可以直接输出探测器到导航信标(特征点)的矢量(视线加距离)信息。" Clementine”月球探测任务提出了利用激光成像测距仪LIDAR(Laser Imaging Detection and Ranging)获得月球地貌的构想，在“发现号”航天飞机交会、对接国际空间站的飞行任务中激光成像测距仪得到了初步的应用。

光学导航系统的测量类型目前已经发展的光学导航系统的测量类型分为下面几类:

图像信息测量图像信息测量主要是指利用导航相机获得天体中心、天体边缘和天体表面可视导航目标的图像，用于光学导航。如深空1号，利用MICAS对小行星和背景星进行光学测量，获得小行星和背景星的图像信息。美国JPL实验室的B haskaran等提出的绕飞小天体的轨道确定是利用导航相机观测的小天体边缘图像。日本的MUSES-C任务是利用导航相机对小行星表面的可视着陆目标进行拍照。

角度信息测量角度信息测量指对己知天体视线夹角的测量。如1 ) SS-ANARS(空间六分仪)，利用空间六分仪的基准，测量恒星与地球和月球边缘的夹角;2 ) TAOS计划中的MANS自主导航系统，计算太阳、月球和地心矢量之间的夹角;3 ) AGN(自主制导和导航系统) 测量探测器与行星和恒星的夹角；天文导航中的近天体/探测器/远天体夹角测量、近天体/探测器/近天体夹角测量及探测器对近天体视角的测量。

视线信息测量视线信息测量指对己知天体中心或者目标天体表面的特征点视线方向的测量。如1)林肯实验卫星(LES)，测量太阳矢量和地心矢量；2)德克萨斯大学(Texas University)的Tucknese等提出的月球探测转移段的自主导航系统，测量太阳、月球和地球的方位角； 3）天文导航中的掩星测量；4)基于特征信标/陆标跟踪的自主导航。

距离测量距离测量对于地球卫星，利用微波雷达高度计测量卫星距离地面的距离；基于GPS的自主导航方式，测量探测器距离GPS星的距离。而小天体探测器一般在接近小天体时，自主导航系统才进行距离测量。日本的MUSES-C任务提出的自主着陆小行星的导航算法，利用激光雷达或测距仪测量探测器到小行星表面的距离。3