未來深空探測器自主技術

星際航行2018-06-12 03:05:01

    2018年中國空間技術研究院神舟學院的“深空探測技術概論”課程即將結束,學生們針對載人深空探測任務了創新性設計構想,現摘錄一些學生的優秀作業與讀者分享。(注:已經作者授權。)學生們結合自己所學的專業進行了思考,他們的認識或許稚嫩,或許不成熟,但都代表了他們對未來的思考,還請同道中人留言點評指導。

作者:魏龍濤,中國空間技術研究院510所在讀碩士生



摘 要:未來人類隨著科學技術的進步對宇宙的探索將越來越遠,深空 距離地球的距離也將越遠,飛行時間也將進一步增加,隨處的環境也將更加負 責、苛刻,利用地面測控站對深空探測器的遙控和遙測也將難以滿足對任務的 實時性以及對探測器的安全性要求。未來探測器上的技術將是深空探測器 上的關鍵技術,未來深空探測器將在無人蔘與的情況下,自主的進行探測任務 的規劃調節、命令執行、星上狀態的監測與故障修復。本文主要介紹了未來深 空探測器的自主、自主導航與控制、自主故障處理、自主任務操作以 及深空探測器利用自主技術的益處。 

關鍵詞:深空探測;自主技術;導航控制;故障處理;任務操作

    隨著人類探索太空能力的不斷增強,深空探測已成為航天領域的熱點。對小行星、彗星、行星以及其衛星等天體的探測是人類認識地球、瞭解太陽系和 宇宙起源的重要途徑,也是發展空間科學、提高空間技術的必經之路。由於深空探測器飛行距離遠、運行環境複雜、任務週期長、與地球通信存在較大的時間延遲等特點,現有測控體系無法實時對深空探測器進行操作控制、難以保證長時間任務過程中的安全運行和快速大量科學數據回傳;此外,未來深空探測任務不斷增多,探測週期長,單靠地面測控導航需要佔用大量的地面測控資 源,發展探測器自主技術不僅可以提高探測器生存能力、節約地面測控資源, 並且可以滿足特殊任務需求。 

    在未來的深空探測器中,設計人員希望可以構建一個自主系統,將地面站功能與航天器無縫組合,形成一個閉環的自主控制迴路,使探測器可以自主在軌完成任務規劃、命令執行、故障診斷和恢復等。航天器可以根據從地面接收的高級命令,產生某段時間內滿足飛行約束和資源約束的規劃序列,並將此任務規劃序列轉化為探測器硬件系統可以執行的低級指令;執行過程中檢測命令執行情況,並根據測量的信息推斷探測器的健康狀況,進而進行系統重構或故 障恢復等。要實現無地面參與的深空探測器自主運行,需突破自主任務規劃技術、自主導航與控制技術、自主故障處理技術、自主任務操作技術等。

1 自主任務規劃技術  

    深空探測器自主任務規劃技術是實現自主技術的核心。它根據空間環境的感知和認識以及深空探測器本身的能力和狀態,利用計算機知識建模技術、人工智能搜索技術等,依據一段時間內的任務目標,對若干可供選擇的動作及所涉及的資源約束進行推理,自動生成一組時間上有序的活動序列,即“規劃”  (Plan)。  

    深空探測器自主任務規劃的輸入是:初始狀態、任務目標、領域知識。輸出是:一個合理規劃,即開始於初始狀態、滿足於星上的各種約束條件並能在  成功執行後將探測器狀態轉移到目標狀態的一個動作序列。  

    通過對星上已存知識、各種敏感器獲得的探測器目前狀態以及周圍環境知識的處理,得到可達到目標狀態的合理活動序列。自主在軌任務規劃技術不僅降低了深空探測任務由地面站收集信息、處理、形成命令序列的操作代價,同時也增加了任務應對深空多變環境的能力。  

    未來深空探測任務自主規劃技術所面臨的特殊情況主要有:複雜的資源約束、時間約束、活動之間併發性約束、探測環境的不確性、星上資源有限等。所以深空探測任務規劃中所亟待解決的關鍵技術主要包括:數值/邏輯混合規劃  知識建模技術,規劃空間快速搜索技術,資源的優化和處理技術,時間約束的處理技術等。

2 自主導航與控制技術  

    自主導航與控制系統是實現深空探測器自主管理的重要組成部分。其主要功能是實現在沒有地面站測量的情況下,利用星上敏感器獲取的信息,自主確定探測器的姿態和位置,為深空探測器自主運行提供參考基準,並自主的給出控制指令,完成探測器空間狀態的改變。由於無線電通訊傳輸的限制,深空探測任務要求航天器具有自主位置和姿態確定與控制能力。星上自主導航與控制的實現將會降低系統的複雜性和運行成本。

    自主導航與控制系統主要功能包括:導航信息處理、軌道自主確定、軌道自主修正及星曆修正、姿態自主確定與控制等。  自主導航與控制系統主要由導航信息採集部分、導航信息處理部分、機動與執行部分 3 部分組成。其中導航信息採集部分接收數據採集命令,進行圖像等導航數據的採集,對這些數據進行處理分析。

    導航信息數據處理部分主要實現兩個方面功能:一接收測量數據,結合動力學遞推數據及其他先驗信息,自主估計探測器的姿態與位置,並完成軌道預報及星曆修正;二根據導航信息和星曆信息進行下一時間段內軌道的規劃,並計算探測器進行軌道機動所需的推力及姿態指令,將其傳送給執行部分。

    機動與執行部分包括姿態機動控制部分和軌道機動控制部分,其功能主要是作為自主導航系統的執行機構,根據自主導航與控制系統的要求完成軌道機動和修正。

    未來自主導航與控制技術所研究的重點主要有:  

 (1) 導航信息獲取與目標特徵識別  

    深空探測導航的主要途徑是利用導航敏感器獲取深空天體目標(如小行  星、衛星等)的光學信息進行導航。而深空中許多天體屬於闇弱目標,因此需要相機長時間曝光,獲得可用導航圖像,但平臺的運動和姿態指向控制的精度  問題會造成圖像的模糊和拖影,給圖像處理和目標識別帶來困難。因此為了能夠為自主導航系統提供可用的信息,快速確定深空探測器的位置和速度,需要對目標特徵提取方法。序列圖像處理方法、背景星剔除與目標星識別技術等進行深入研究。  

(2) 多源信息融合與軌道快速自主估計  

    深空探測自主導航最主要的功能是通過獲取的多源導航信息,快速確定深空探測器當前時刻的空間狀態,並給出下一週期內探測器的軌道。因此對於深  空探測器而言,尋找合適的多源信息融合與快速估計方法,以提高探測器狀態的估計精度,儘量降低算法運算負擔,保證自主導航與控制系統實時性與快速  性,是該方向的一項主要研究內容。  

(3) 深空軌道快速規劃與自主機動執行  

    深空探測器軌道快速規劃與自主機動是指在不依賴地面的情況下,根據導航系統獲得的航天器位置和姿態信息,在軌完成多約束條件下未來某段時間內飛行任務軌道的規劃,並設計機動實施策略,以提高探測器的應急能力,減少探測器對地面的依賴。星上計算資源有限,利用優化算法進行軌道規劃難以在軌實  現,因此通過對優化軌跡的特點進行分析,尋找快速求解生成可行的規劃軌跡是自主導航與控制中必須解決的關鍵問題。如何充分考慮深空探測器動力學以及各種約束,快速實現終端狀態的解耦,生成可行的、易跟蹤的探測任務軌道,是解決深空探測自主軌道控制的關鍵技術。  

    隨著深空技術的發展,未來單一的導航技術將無法滿足系統要求,將天文導航與其他方法相結合構成組合導航系統,實現優勢互補,提高導航系統的精度。根據星圖、測距、多普勒頻移、脈衝星導航、慣性導航器件等傳感參數,  利用廣義濾波、廣義融合等算法,實現深空探測器位置及運動參數的準確解算。未來還可以通過建立太陽系內高精度引力場模型以及太陽風模型,融合其他導航技術,進一步提高探測器的導航精度。

3 自主故障處理技術  

    自主故障處理技術用來監視任務規劃結果的執行情況,並識別故障模式, 進行故障恢復,保障航天器的安全運行。其主要包含故障模式識別和故障恢復兩部分。

    故障模式識別部分跟蹤規劃活動序列的執行,識別規劃序列中各個活動是否正確執行;故障恢復部分通過系統的當前狀態信息確定探測器上相關原件/部件當前的狀態,當有故障存在時,故障恢復模塊負責提出重新構造或恢復策略。其可以被看做是一個基於模型的離散控制器,其中模式識別部分相當於敏感器測量部分,故障恢復部分相當於執行器部分。模式識別中的模式推力允許執行模塊根據原件的模式來推斷航天器的狀態。故障恢復部分支持運行時產生新的配置。  

    故障診斷與恢復模塊可以監視執行模塊發送給硬件管理器的命令。當執行每一個命令時,故障診斷與恢復模塊獲得飛行器的傳感器測量值,或是由其他子系統設備管理器模塊反饋的檢測結果。在正常情況下,故障診斷與恢復模塊  僅僅確定這些命令是否對飛行器狀態起到了預期的作用。在故障情況下,故障診斷與恢復模塊診斷出故障原因和當前飛行器狀態,並給出一種可行的恢復方案。  

4 自主科學任務操作技術

    深空探測的主要目的是進行科學探測,探測獲取的數據將會被下傳到地面,由科學家進行分析並獲得對宇宙空間的新認識。但由於深空探測距離比較遠,數據傳輸速率比較低,深空探測數據存在很大的時間延遲,導致深空探測器錯過一些重要的科學探測機會。為了使探測器能夠發現當前發生的科學現象,自主生成可行的科學觀測任務序列,探測器需要具有一定的科學數據分析、自主反應的能力。另外隨著探測器上所攜帶儀器數量的增加以及探測任務時間的加長,所獲得的科學數據成指數增長,這樣大量的數據不可能全部通過 深空網絡傳回地面進行處理,因此探測器應具有對所觀測到的科學數據進行初步處理和篩選的能力,將可能有用的數據或敏感數據傳回地面供科學家分析使用。此外,它還能夠在數據初步分析的基礎上,隨時發現科學家感興趣的現象,並進行跟蹤觀察,這便增加了科學現象觀測的實時性。 

5 結語

    深空探測器系統級自主是深空探測自主技術的發展趨勢。目前大部分航天器僅僅是實現了部分子系統的自主運行,但隨著深空探測任務的多樣化和復 雜化,系統級自主需求越來越迫切,實現在無人干預情況下的長期系統級自主是自主技術發展的必然方向。

    目前對深空探測器自主技術中的任務規劃搜索機制、自主執行模式識別判斷準則、故障模式建模手段、星上系統的自主化結構等方面的認識還存在很大 的差距,這嚴重製約了該技術的進一步發展與全面推廣。掌握深空探測器自主 運行的關鍵技術,完成星上任務自主規劃與調度、狀態監測和故障恢復、命令 執行和監測,可實現深空探測器在無人干預情況下的長時間自主安全運行。自 主技術不僅可以解決未來深空探測中所面臨的多種問題和矛盾,同時也可以用 於近地衛星的自主操作和控制,減少衛星的地面操控費用。

    深空探測器在軌自主技術已成為空間探測領域中亟待解決的一項關鍵使能技術。



微信號:星際航行。專業品質、照耀未來!

長按二維碼、識別二維碼





閱讀原文

TAGS: