2019年 第6卷 第4期
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2019, 6(4): 303-316,383.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.001
摘要:
深空探测任务的探测目标距离地球越来越远，测控延时逐步增大，并且目标的先验知识有限，在遥远、未知、不确定环境下开展科学探索对探测器的自主性能需求日益强烈。随着人工智能技术的快速发展并逐步实用，在深空探测领域中应用人工智能技术提高和改进航天器自主性也将成为必须和可能。简要介绍了人工智能技术的发展历程，分析了航天领域中人工智能技术的应用实例，重点结合规划的深空探测任务特点和应用场景，梳理分析了各具体任务对人工智能技术应用的潜在需求，并提出了对深空探测人工智能技术应用的一些看法和发展建议。
深空探测任务的探测目标距离地球越来越远，测控延时逐步增大，并且目标的先验知识有限，在遥远、未知、不确定环境下开展科学探索对探测器的自主性能需求日益强烈。随着人工智能技术的快速发展并逐步实用，在深空探测领域中应用人工智能技术提高和改进航天器自主性也将成为必须和可能。简要介绍了人工智能技术的发展历程，分析了航天领域中人工智能技术的应用实例，重点结合规划的深空探测任务特点和应用场景，梳理分析了各具体任务对人工智能技术应用的潜在需求，并提出了对深空探测人工智能技术应用的一些看法和发展建议。
2019, 6(4): 317-327.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.002
摘要:
深空探测是人类考察、勘探和定居地球外其它天体的第1步，而深空探测器的自主控制技术则是确保深空探测任务成功完成的重要关键技术之一。从“自主导航、自主制导与控制、自主任务规划、自主故障诊断与重构”4个方面对深空探测器自主控制技术的研究现状进行综述，分析了已有的深空探测器自主控制技术存在的问题，并根据深空探测技术发展和任务实施的需求，提出了深空探测器自主控制技术未来研究的发展趋势。
深空探测是人类考察、勘探和定居地球外其它天体的第1步，而深空探测器的自主控制技术则是确保深空探测任务成功完成的重要关键技术之一。从“自主导航、自主制导与控制、自主任务规划、自主故障诊断与重构”4个方面对深空探测器自主控制技术的研究现状进行综述，分析了已有的深空探测器自主控制技术存在的问题，并根据深空探测技术发展和任务实施的需求，提出了深空探测器自主控制技术未来研究的发展趋势。
2019, 6(4): 328-334.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.003
摘要:
针对太阳探测器，提出一种基于太阳自转轴观测角的新型天文导航方法，通过光谱仪测量太阳圆盘面边缘上两组连线互相垂直点的速度差值，建立速度差值与太阳自转轴观测角的数学模型，并以该观测角作为量测量来提供探测器的位置信息。仿真结果表明：相较于传统以太阳视方向作为量测量的导航方法，以太阳自转轴观测角作为量测量的新型天文导航方法的导航精度提高了17.4%。此外，还分析了测速敏感器精度、滤波周期和轨道倾角对导航性能的影响，为深空探测自主导航提供了新的理论与方法。
针对太阳探测器，提出一种基于太阳自转轴观测角的新型天文导航方法，通过光谱仪测量太阳圆盘面边缘上两组连线互相垂直点的速度差值，建立速度差值与太阳自转轴观测角的数学模型，并以该观测角作为量测量来提供探测器的位置信息。仿真结果表明：相较于传统以太阳视方向作为量测量的导航方法，以太阳自转轴观测角作为量测量的新型天文导航方法的导航精度提高了17.4%。此外，还分析了测速敏感器精度、滤波周期和轨道倾角对导航性能的影响，为深空探测自主导航提供了新的理论与方法。
2019, 6(4): 335-340.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.004
摘要:
X射线脉冲星导航是一种基于X射线脉冲星观测的新型天文自主导航方法，脉冲星在轨动态信号处理技术一直是脉冲星导航的难点和重点，特别是低轨高动态条件下的信号处理比高轨低动态情况更加困难。针对动态信号处理中实测数据信噪比偏低的问题，提出了一种适用于低轨高动态情况的脉冲星动态信号处理方法，并对其原理进行了分析，建立了相关数学模型，并使用HXMT卫星和XPNAV-1卫星的实测数据验证了算法性能，实验结果表明：该方法有效提高了导航观测量处理精度。
X射线脉冲星导航是一种基于X射线脉冲星观测的新型天文自主导航方法，脉冲星在轨动态信号处理技术一直是脉冲星导航的难点和重点，特别是低轨高动态条件下的信号处理比高轨低动态情况更加困难。针对动态信号处理中实测数据信噪比偏低的问题，提出了一种适用于低轨高动态情况的脉冲星动态信号处理方法，并对其原理进行了分析，建立了相关数学模型，并使用HXMT卫星和XPNAV-1卫星的实测数据验证了算法性能，实验结果表明：该方法有效提高了导航观测量处理精度。
2019, 6(4): 341-347.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.005
摘要:
针对在轨服务任务对于空间非合作目标的自主相对导航需求，提出了一种基于双目视觉的自主姿态估计方法。该方法以Markley变量描述目标的姿态运动，并利用双目相机对目标表面的特征点进行观测，利用特征点的运动规律与目标姿态运动的相关性，并通过容积卡尔曼滤波算法实现了对非合作目标角速度与自旋轴方向的估计。数学仿真验证了所给出的姿态估计方法，并分析了估计精度的影响因素。
针对在轨服务任务对于空间非合作目标的自主相对导航需求，提出了一种基于双目视觉的自主姿态估计方法。该方法以Markley变量描述目标的姿态运动，并利用双目相机对目标表面的特征点进行观测，利用特征点的运动规律与目标姿态运动的相关性，并通过容积卡尔曼滤波算法实现了对非合作目标角速度与自旋轴方向的估计。数学仿真验证了所给出的姿态估计方法，并分析了估计精度的影响因素。
2019, 6(4): 348-357.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.006
摘要:
针对火星定点采样、载人登陆和基地构建等任务的需求，提出了一种火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制（Guidance Navigation and Control，GNC）方案。针对大气进入前的高精度导航需求，提出了基于X射线脉冲星和火星表面陆标图像的融合自主导航方法；针对火星着陆探测进入、下降和着陆（Entry，Descent and Landing，EDL）过程的高精度绝对和相对导航需求，提出了基于陆标图像、IMU（Inertial Measurement Unit）和测距测速信息的多信息融合自主导航方法；针对精确定点着陆要求，设计了大气进入和动力下降过程的制导与控制算法。数学仿真结果表明，提出的方案能够实现高精度的定点着陆（精度100 m）和相对避障（精度为0.5 m），可满足任务需求。
针对火星定点采样、载人登陆和基地构建等任务的需求，提出了一种火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制（Guidance Navigation and Control，GNC）方案。针对大气进入前的高精度导航需求，提出了基于X射线脉冲星和火星表面陆标图像的融合自主导航方法；针对火星着陆探测进入、下降和着陆（Entry，Descent and Landing，EDL）过程的高精度绝对和相对导航需求，提出了基于陆标图像、IMU（Inertial Measurement Unit）和测距测速信息的多信息融合自主导航方法；针对精确定点着陆要求，设计了大气进入和动力下降过程的制导与控制算法。数学仿真结果表明，提出的方案能够实现高精度的定点着陆（精度100 m）和相对避障（精度为0.5 m），可满足任务需求。
2019, 6(4): 358-363.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.007
摘要:
从自主运行需求获取、自主运行策略设计、自主运行任务实现3个方面对“嫦娥4号”自主运行任务进行研究。通过在轨飞行验证，“嫦娥4号”自主运行任务的实现除了完善自我诊断及重构能力，还增强了对未知风险的应对能力，增加核心设备的自主管理能力，保证关键事件完成的可靠性与精准性。不仅总结了重要的工程经验而且为未来深空自主运行任务的设计实现提供了直接而有力的技术支持。
从自主运行需求获取、自主运行策略设计、自主运行任务实现3个方面对“嫦娥4号”自主运行任务进行研究。通过在轨飞行验证，“嫦娥4号”自主运行任务的实现除了完善自我诊断及重构能力，还增强了对未知风险的应对能力，增加核心设备的自主管理能力，保证关键事件完成的可靠性与精准性。不仅总结了重要的工程经验而且为未来深空自主运行任务的设计实现提供了直接而有力的技术支持。
2019, 6(4): 364-368.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.008
摘要:
针对深空探测器复杂系统并行及约束耦合等特点，在时间线描述框架的基础上，引入了状态转移图结构。通过分析探测器任务规划中的耦合约束关系，设计了转移图代价计算方法，并提出了基于状态转移图的启发式任务规划算法。利用转移图设计启发式对无关节点进行剪枝，削减了搜索空间，加速了搜索过程。数值仿真结果表明，该算法能够有效减少不必要的规划步数，提高任务规划的效率。
针对深空探测器复杂系统并行及约束耦合等特点，在时间线描述框架的基础上，引入了状态转移图结构。通过分析探测器任务规划中的耦合约束关系，设计了转移图代价计算方法，并提出了基于状态转移图的启发式任务规划算法。利用转移图设计启发式对无关节点进行剪枝，削减了搜索空间，加速了搜索过程。数值仿真结果表明，该算法能够有效减少不必要的规划步数，提高任务规划的效率。
2019, 6(4): 369-375.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.009
摘要:
闭环控制系统的反馈调节机制，可能破坏开环系统的可辨识性，导致误报率和漏报率同时上升，还可能导致同一故障模式下的多个变量发生异常，给闭环控制系统故障识别带来难度。针对单输入单输出系统，分析了闭环控制对可辨识性、误报率和漏报率的影响，对多输入多输出系统，理论上推导了闭环控制系统传感器故障的传播机理，分析了闭环控制系统对系统变量的影响关系，利用神经网络构建了闭环故障识别算法。数值仿真结果验证了闭环对故障系统诊断的不利影响，而卫星姿态控制系统的仿真结果标明：与传统方法相比，提出的方法识别性能更高。
闭环控制系统的反馈调节机制，可能破坏开环系统的可辨识性，导致误报率和漏报率同时上升，还可能导致同一故障模式下的多个变量发生异常，给闭环控制系统故障识别带来难度。针对单输入单输出系统，分析了闭环控制对可辨识性、误报率和漏报率的影响，对多输入多输出系统，理论上推导了闭环控制系统传感器故障的传播机理，分析了闭环控制系统对系统变量的影响关系，利用神经网络构建了闭环故障识别算法。数值仿真结果验证了闭环对故障系统诊断的不利影响，而卫星姿态控制系统的仿真结果标明：与传统方法相比，提出的方法识别性能更高。
2019, 6(4): 376-383.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.010
摘要:
针对深空探测过程中资源严重受限（包括计算资源、硬件资源以及能量资源）和不可维修的特点，开展了深空探测器可重构性综合评价方法和自主重构的研究。通过在地面设计阶段考虑深空探测器控制系统的可重构性，定量地给出了系统可重构性综合评价指标，并基于该指标指导系统自主重构策略的设计，从设计角度提高了深空探测器控制系统运行质量，实现了深空探测器的自主故障处理和自主运行。
针对深空探测过程中资源严重受限（包括计算资源、硬件资源以及能量资源）和不可维修的特点，开展了深空探测器可重构性综合评价方法和自主重构的研究。通过在地面设计阶段考虑深空探测器控制系统的可重构性，定量地给出了系统可重构性综合评价指标，并基于该指标指导系统自主重构策略的设计，从设计角度提高了深空探测器控制系统运行质量，实现了深空探测器的自主故障处理和自主运行。
2019, 6(4): 384-390.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.011
摘要:
在月面巡视遥操作过程中，需要根据感知数据确定科学探测目标，并逐层分解形成不同层次的规划结果。根据不同层次规划要求，结合月球背面巡视探测所需要面对的复杂约束，在探测周期规划中设计了月面综合环境立方模型和多约束导航点搜索算法，实现了综合考虑地形可达、光照情况、通信可达等多种因素的导航点搜索，在导航单元规划中设计了考虑地形行走代价、移动里程代价、操作控制代价等因素的平滑曲线路径搜索算法。在仿真实验环境中对上述方法进行了验证，结果表明了方法的有效性和实时性。
在月面巡视遥操作过程中，需要根据感知数据确定科学探测目标，并逐层分解形成不同层次的规划结果。根据不同层次规划要求，结合月球背面巡视探测所需要面对的复杂约束，在探测周期规划中设计了月面综合环境立方模型和多约束导航点搜索算法，实现了综合考虑地形可达、光照情况、通信可达等多种因素的导航点搜索，在导航单元规划中设计了考虑地形行走代价、移动里程代价、操作控制代价等因素的平滑曲线路径搜索算法。在仿真实验环境中对上述方法进行了验证，结果表明了方法的有效性和实时性。
2019, 6(4): 391-397.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.012
摘要:
面向月球采样返回任务分析需求，对月面上升段的轨迹优化及燃料消耗影响因素进行了研究。基于上升器运动模型，建立以燃料消耗最优为目标考虑入轨约束的轨迹优化模型，通过Gauss伪谱法和序列二次规划求解上升过程最优推力方向。改变运动模型中的初始推重比、入轨约束中的目标轨道参数，根据轨迹优化结果得到对应的燃料消耗，分析了这些因素对上升器燃料消耗的影响。针对上升器非共面起飞的问题，提出了上升偏航、升交点调整、倾角调整3种方案，从燃料消耗的角度分析了各方案的适用情况，为未来工程应用提供参考。
面向月球采样返回任务分析需求，对月面上升段的轨迹优化及燃料消耗影响因素进行了研究。基于上升器运动模型，建立以燃料消耗最优为目标考虑入轨约束的轨迹优化模型，通过Gauss伪谱法和序列二次规划求解上升过程最优推力方向。改变运动模型中的初始推重比、入轨约束中的目标轨道参数，根据轨迹优化结果得到对应的燃料消耗，分析了这些因素对上升器燃料消耗的影响。针对上升器非共面起飞的问题，提出了上升偏航、升交点调整、倾角调整3种方案，从燃料消耗的角度分析了各方案的适用情况，为未来工程应用提供参考。
2019, 6(4): 398-402.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.013
摘要:
在导航滤波、故障诊断等许多工程领域中，受环境因素影响、模型和参数的选取不当等原因，系统状态方程中往往含有未知输入（系统误差），传统的Kalman滤波方法无法消除这种未知输入的影响，导致产生较大的滤波误差。为此，提出一种自识别自校准Kalman滤波方法，并分别对线性系统和非线性系统进行了详细讨论，给出了相应的公式和滤波步骤。该方法能够自动识别状态方程中有无未知输入，当有未知输入时，则能自动估计未知输入，并对它进行补偿和修正。大量实例计算和仿真模拟表明，与传统方法相比，本文方法能够有效提高状态估计精度，且计算简单，便于工程应用。
在导航滤波、故障诊断等许多工程领域中，受环境因素影响、模型和参数的选取不当等原因，系统状态方程中往往含有未知输入（系统误差），传统的Kalman滤波方法无法消除这种未知输入的影响，导致产生较大的滤波误差。为此，提出一种自识别自校准Kalman滤波方法，并分别对线性系统和非线性系统进行了详细讨论，给出了相应的公式和滤波步骤。该方法能够自动识别状态方程中有无未知输入，当有未知输入时，则能自动估计未知输入，并对它进行补偿和修正。大量实例计算和仿真模拟表明，与传统方法相比，本文方法能够有效提高状态估计精度，且计算简单，便于工程应用。
