深空探测着陆过程序列图像自主导航综述

基于序列图像的自主导航作为未来深空探测地外天体精确定点着陆任务的关键技术，是目前深空探测技术的重点发展方向之一.针对未来深空探测地外天体精确着陆自主导航的需求，阐述了发展深空探测着陆过程序列图像自主导航的必要性.首先，分别从主动成像和被动成像两个方向介绍了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航研究现状；然后，总结并分析了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航涉及到的关键技术；最后，根据关键技术分析给出了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航研究目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望.

开展深空探测活动是人类进一步了解宇宙、认 识太阳系、探索地球与生命起源和演化、获取更多科 学认识的必须手段，更是国家发展、科学探索、科技 创新和开拓疆域的共同需求［１］ ． 随着科学技术的快 速发展，地外天体着陆探测成为深空探测的重要内 容．目前人类已经实现了对月球、火星、小行星和彗 星的着陆探测，在这些着陆探测任务中采用的着陆 自主导航方法主要是惯性导航．但由于初始导航误 差、惯性测量误差以及引力场模型误差的存在，惯性 导航误差随时间增加而逐步增大，因此，惯性导航通 常需要与其他外部敏感器测量信息相结合以提高导 航精度．目前广泛使用的是基于惯性导航配以测距 测速修正的导航方法，其已在“嫦娥三号”、“阿波罗”等月球着陆任务以及火星着陆任务中得到成功 应用［２－３］ ．尽管测距测速敏感器提供了较高精度的速 度和斜距测量信息，能够有效地抑制惯性导航在速 度和高度方向上的误差发散，但是单纯的测距测速 无法为惯性导航系统提供水平位置误差修正信息， 因此这种导航方法只能满足对着陆精度要求不太高 的探测任务需求． 未来地外天体探测任务要求探测器具有在较高 科学价值的特定区域精确着陆的能力．美国宇航局 （ＮＡＳＡ） ［４］ 提出的精确定点着陆（ ｐｉｎｐｏｉｎｔ ｌａｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ， ＰＰＬ）要求探测器着陆精度在 １００ ｍ 以内， 现有的惯性导航辅以测距测速修正的着陆导航方法 难以满足精确定点着陆的要求．针对未来深空探测 地外天体精确着陆自主导航的需求，一种最为可行 的技术手段是引入地外天体表面图像信息进行自主 导航．这主要是由于地外天体表面分布着大量形状 各异的陨石坑、岩石和纹理等天然陆标，利用地外天体表面陆标图像信息能够获取完备的探测器位置和 姿态信息．采用序列图像的自主导航技术，作为未来 载人和无人深空探测精确定点着陆任务的关键技 术，ＮＡＳＡ 和欧空局（ＥＳＡ）等［５－７］机构都将其作为深 空探测技术的重点发展方向之一． 根据我国 ２０３０ 年前深空探测发展规划，２０２０ 年前后我国将自主开展火星和小行星等地外天体的 着陆探测任务．在这一背景下，本文对基于序列图像 的深空探测着陆过程自主导航进行综述，系统地总 结基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航的研 究现状，概括并分析基于序列图像的深空探测着陆 过程自主导航涉及到的关键技术，提出当前研究存 在的主要问题并对其后续发展进行展望，为我国未 来的地外天体着陆探测任务提供参考．