无人探测器

未来战争在很大程度上将是争夺制信息权的战争。这种争夺不仅会发生在空中和地面,也将不可避免地出现在水下战场。为了更多、更好地获取水下信息,世界各海军强国都纷纷开始研制各种水下无人探测器,用于搜集水下信息、掌控水下信息战的主导权。

轮式水下无人探测器由于能最大限度地接触水下环境,从而可以较好地获取海底地貌特征、地质条件、水文、磁场、声学特性等信息,因此受到各国海军的广泛关注。同时,它作为军民两用产品,在海洋开发、水下作业等领域也有着广阔的应用前景。为使轮式水下无人探测器更为有效地完成获取水下信息的任务,需要对探测器所属传感器传回的观测信息进行滤波处理,从而准确掌握探测器在任意时刻的姿态(包括所处位置和方位角),为控制探测器的下一步行动提供决策依据。

由此可见,滤波算法的性能将直接影响轮式水下无人探测器的效能。传统的方法是用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法估计探测器的姿态。然而,由于EKF算法本身所固有的缺陷,其估计效果很不稳定。为此,本文提出一种基于多元插值的DD型滤波算法,用它对探测器的姿态进行估计。仿真结果表明,该算法具有滤波精度高、鲁棒性好的特点。

深空探测器距离地球远、所处环境复杂、苛刻，利用地面测控站进行深空探测器的遥测和遥控已经很难满足探测器控制的实时性和安全性要求。深空探测器自主技术即通过在探测器上构建一个智能自主管理软件系统，自主地进行工程任务与科学任务的规划调度、命令执行、星上状态的监测与故障时的系统重构，完成无人参与情况下的探测器长时间自主安全运行，自主技术已经逐渐成为深空探测领域未来发展的一项关键技术。

美国国防部和国家航空航天局（NASA）在其“新千年计划”中，利用第1颗探测器“深空1号”（DS－1）对12项新技术进行验证，其中包括远程智能体软件系统，第1次实现了自主系统的在轨飞行验证。欧洲空间局（ESA）支持的在轨自主技术项目（PROBA）主要目的是进行技术演示，是ESA通用支撑技术计划（GSTP）资助和支持的一项新技术试验项目。该项目的目的是在轨展示和评估航天器新的软件和硬件、自主操作等技术。PROBA开发了一套高度自主的在轨运行系统，与地面操控中心功能相互配合完成探测器的自主运行和操作。在此基础上，PROBA　2建立了一个冗余的、高度集成的高性能计算单元，不仅用于传统的姿态控制，还用于实现科学数据处理等自主运行功能。中国月球探测工程已经完成了两次绕月探测任务，且嫦娥－2号卫星完成了拓展和再拓展任务，分别对日－地拉格朗日（L2）点和“图塔蒂斯”（Tuotatis）小行星进行了探测。通过月球探测的实践，中国已经初步掌握了月球及深空探测关键技术，建立了支持深空探测的基础设施，并将逐渐具备对火星及更远天体探测的能力。随着对更远天体探测任务的开展，国内对航天器自主技术的需求也越来越迫切。近年来，针对航天器在轨自主运行技术，国内相关科研院所分别开展了多方面的理论和方法研究。中国空间技术研究院对发展智能自主控制的必要性和需求进行了讨论，研究了深空探测的自主导航方法及航天器自主故障诊断技术，并对航天器智能控制实验平台进行了初步设计。中国科学院空间科学与应用研究中心针对自主控制系统中的规划技术，提出了贪婪动态规划算法，研究了基于动态调度情况下空间任务仿真系统的关键技术。哈尔滨工业大学研究了深空环境中的故障诊断、航天器任务重规划技术等。国防科学技术大学研究了多星任务的协调规划问题，考虑了在任务规划的同时进行卫星动作规划。北京理工大学深空探测技术研究所针对深空探测任务特点，研究了深空探测器任务规划知识表示方法、时间约束处理方法等，设计并实现了基于多智能体的自主任务规划系统。国内已经在某些航天器任务中实现了航天器的在轨自主姿态确定与控制、故障诊断和隔离、自主交会对接等子系统级自主。但针对深空探测器系统级的自主研究工作还处于初级阶段。

深空探测器自主技术的发展大致经历了下面3个阶段：基于规则的航天器自维护阶段、航天器局部子系统自主阶段、航天器系统级自主阶段。

基于规则的航天器自维护阶段

基于规则的航天器自维护是指在早期航天器星载计算机能力有限的情况下，结合星上存储的预设规则进行对硬件的状态监测和固定策略恢复，完成航天器在空间环境的动态变化和星上异常情况时的在轨自主处理和系统健康状态自我维护。随着深空探测活动范围的扩大和任务数量的增加，航天器出现故障的情况也呈上升趋势。为了能够提高探测器的自主生存能力，基于规则的航天器自维护技术受到了航天工程部门的重视。从1980年开始，NASA的喷气推进实验室（JPL）便开始对自主探测器维护（ASM）技术进行研究。目的是实现探测器在飞行过程中可以容忍硬件和软件的故障及设计时的失误，实现执行任务过程中减少地面的干预。由来自工业、学校和NASA的专家组成的研究团队，确定了详细的自主探测器维护技术中的关键问题，并细化了今后用于空间探测器系统中的一些技术。美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）开发的第1代自主系统是基于硬件的故障监测和响应自主功能的探测器，其已应用到监测太阳活动的“先进组合探测器”（ACE）中。该系统将故障监测和响应与数据处理子系统、电源子系统等组合，形成了ACE探测器的安全响应策略，可以完成部件健康情况监测、探测器姿态和机动系统总体监测、探测器部件正确开关状态的维护和基于硬件状态的自主响应。基于规则的航天器自维护阶段仅是根据航天器星载系统中的预设规则进行自身状态维护和故障恢复，缺少灵活性和实时性，在深空探测器运行环境复杂多变时便不能保证航天器的安全运行。

航天器局部子系统自主阶段

随着计算机技术和航天技术的快速发展，航天器上某些关键子系统的结构、功能、控制等得到了深入研究和快速发展，形成了比较独立、功能专一的自主控制子系统模块，例如通信控制、命令处理、姿态控制、导航制导、电源管理、故障保护等。美国1996年发射的“近地小行星交会任务”（NEAR），可以对星上故障情况做出反应、保护探测器的安全运行。土星探测器“卡西尼”（Cas－sini）的星上计算机能够自主进行12个仪器包的控制、探测器的定向、热环境的控制和数据存储和通讯。ESA于2004年发射的ROSETTA彗星探测器，实现了人类首次彗星表面自主着陆和彗星样品的自主采集和分析。虽然这些探测器不是完全的自主，但自主技术的应用可以一定程度上减少任务的操作费用，充分利用星上资源，提高探测器的安全性。子系统自主技术可以实现单个功能的自主运行，但没有从系统的角度对各个子系统之间进行统筹管理和系统协调，所以并不能脱离地面站的控制，实现整个系统层面的长期自主运行。

航天器系统级自主阶段

随着深空探测任务的增加，任务的操作和地面站资源之间的矛盾越来越凸显。另外，深空探测器同时也面临通信大时延、深空环境不确定、环境动态变化等一系列问题。设计人员希望构建一个系统级的自主系统，将地面站功能与航天器无缝组合，形成一个闭环的自主控制回路，使其可以自主在轨完成任务规划、命令执行、故障诊断和恢复等。航天器可根据从地面接收的高级命令，产生某段时间内满足飞行约束和资源约束的规划序列，并将此任务规划序列转化为探测器硬件系统可以执行的低级指令；执行过程中监测命令执行情况，并根据测量的信息推断探测器的健康状况，进而进行系统重构或故障恢复等。系统级的自主系统与传统操控系统的最大区别是将地面上执行的一些活动（例如任务规划、命令序列化、探测器行为监测、探测器故障诊断和恢复等）移到了探测器上在轨执行，地面操控系统只需向探测器发送高级指令（例如“对小行星进行观测”等），而并不需要通过遥测获取探测器的状态，然后制定详细命令序列再上传给探测器；同时探测所获取的科学数据也不是全部下传到地面，而是经过初步的预处理之后，有选择地进行数据下传。只有当探测器遇到星上自主操作系统不能处理的故障时，才将探测器置于安全模式，并将相关的数据传送给地面站系统，等待地面工作人员发送修复命令。这样，航天器自主操作系统可以大大减少地面工作人员的劳动量，减少对深空通讯网络的需求，增加任务的可靠性和实时性，降低操作费用。美国DS－1探测器首次实现了系统级自主系统，并成功进行了飞行试验验证。其自主系统称之为远程智能体软件系统，由规划调度模块、智能执行模块和模式识别（MI）与故障诊断模块组成，可以无需地面干预而自主地根据情况产生规划，消除资源的约束和时间上的冲突，智能执行规划，并对探测器的健康状况进行监测，在故障发生的时候进行识别、分离和恢复。DS－1自主技术飞行验证试验分为3个阶段进行：第1阶段仅将自主执行和故障诊断及修复功能加入控制回路；第2阶段加入了自主任务规划功能；第3阶段进行系统级自主管理系统飞行试验。3个阶段飞行试验都进展顺利，结果证明自主技术可以减少DS－1的操作运行费用，增加任务的可靠性和交互性。此次飞行试验获得如下经验：①由于深空探测器系统复杂，在飞行任务之前必须开发自主系统验证软件对系统功能及模型进行验证；②复杂规划知识的简化描述和启发式信息的运用是减少在轨规划计算量和提高深空探测器自主响应能力的关键。在DS－1使用的自主任务规划系统基础上，NASA开发了可扩展标准化远程操作规划框架（EUROPA）系统和混合自主活动规划产生器（MAPGEN）系统，并应用于火星着陆探测任务“勇气号”与“机遇号”两辆火星车的表面巡游探测任务规划中，实现从完全系统自主模式到有限自主模式的各种模式的巡游探测。为了解决深空探测器长期运行的连续规划、通用知识的表示、模式快速识别等技术，NASA的阿姆斯（Ames）研究中心、JPL等先后开展系统级自主技术的深入研究，包括：任务智能规划和执行技术、智能科学数据分析技术、分布式自主系统技术、自主安全与精确着陆技术、健康监测与诊断技术等。例如：JPL的人工智能部开发的自主调度与规划环境系统（ASPEN）欧洲空间局为了能够使参与欧洲空间局的各国科研机构对航天器自主操作形成共同的认识，在2005年制定空间工程标准ECSS[E－70－11]时特别对空间自主进行了定义和分级。并在实际工程中，针对ESA未来的火星上的地外生物项目（ExoMars），开展了自主导航、基于时间线的管理、目标的选择、仪器配置等关键技术研究，目的是确定类似于ExoMars的深空项目的自主需求，建立一个自主系统运行和评估的环境。ESA的ROSETTA彗星探测器实现了航天器在轨硬件设备状态管理、数据管理、姿态自主控制、轨道控制、异常分析和评估等自主功能，使探测器在远离地球时能够自主进行决策和控制探测器的正确运行，减少地面对航天器进行状态监视和控制的成本。航天器系统级的自主技术可以使深空探测器实现真正意义上的在轨闭环自主控制。

深空探测器系统自主技术发展的目标是构建一套能够完成在轨自主运行的自主管理系统，实现航天器任务在轨规划、智能执行、故障识别与恢复等功能。为了实现无地面站参与的测器自主运行，必须突破自主管理系统设计技术、自主任务规划技术、自主导航与控制技术、自主故障处理技术、自主科学任务操作技术等关键技术。

在美国航空航天局（NASA）先进概念研究机构（NIAC）的支持下，有关专家正开展一项新型火星大气层进入探测器的概念研究。这种探测器类似于飞机，被命名为“代达利翁”（Daedalon），以古希腊传统神化人物名字命名。它是一种可改变飞行翼的无人驾驶飞机，造价仅需2.24亿美元，可以满足2020－2040年发射窗口任务。

这种无人飞机探测技术较之传统的着陆器和漫游车的现场勘查技术具有独特的优势。首先，探测范围得以扩大。漫游车可对行星有限的区域进行现场勘查，而这种有动力的飞行器可全星球飞行，进行高分辨率可见光、红外、热、磁和中子等测绘。其次，着陆更加安全。这种飞行器可以现场勘查后，选择最佳着陆区域着陆。此外，还可以对局部区域进行超高分辨率成像，并将数据传送给主着陆器。