無人探測器

未來戰爭在很大程度上將是爭奪制信息權的戰爭。這種爭奪不僅會發生在空中和地面,也將不可避免地出現在水下戰場。為了更多、更好地獲取水下信息,世界各海軍強國都紛紛開始研製各種水下無人探測器,用於蒐集水下信息、掌控水下信息戰的主導權。

輪式水下無人探測器由於能最大限度地接觸水下環境,從而可以較好地獲取海底地貌特徵、地質條件、水文、磁場、聲學特性等信息,因此受到各國海軍的廣泛關注。同時,它作為軍民兩用產品,在海洋開發、水下作業等領域也有着廣闊的應用前景。為使輪式水下無人探測器更為有效地完成獲取水下信息的任務,需要對探測器所屬傳感器傳回的觀測信息進行濾波處理,從而準確掌握探測器在任意時刻的姿態(包括所處位置和方位角),為控制探測器的下一步行動提供決策依據。

由此可見,濾波算法的性能將直接影響輪式水下無人探測器的效能。傳統的方法是用擴展卡爾曼濾波(EKF)算法估計探測器的姿態。然而,由於EKF算法本身所固有的缺陷,其估計效果很不穩定。為此,本文提出一種基於多元插值的DD型濾波算法,用它對探測器的姿態進行估計。仿真結果表明,該算法具有濾波精度高、魯棒性好的特點。 ^[1] 

深空探測器距離地球遠、所處環境複雜、苛刻，利用地面測控站進行深空探測器的遙測和遙控已經很難滿足探測器控制的實時性和安全性要求。深空探測器自主技術即通過在探測器上構建一個智能自主管理軟件系統，自主地進行工程任務與科學任務的規劃調度、命令執行、星上狀態的監測與故障時的系統重構，完成無人蔘與情況下的探測器長時間自主安全運行，自主技術已經逐漸成為深空探測領域未來發展的一項關鍵技術。

美國國防部和國家航空航天局（NASA）在其“新千年計劃”中，利用第1顆探測器“深空1號”（DS－1）對₁2項新技術進行驗證，其中包括遠程智能體軟件系統，第₁次實現了自主系統的在軌飛行驗證。歐洲空間局（ESA）支持的在軌自主技術項目（PROBA）主要目的是進行技術演示，是ESA通用支撐技術計劃（GSTP）資助和支持的一項新技術試驗項目。該項目的目的是在軌展示和評估航天器新的軟件和硬件、自主操作等技術。PROBA開發了一套高度自主的在軌運行系統，與地面操控中心功能相互配合完成探測器的自主運行和操作。在此基礎上，PROBA　2建立了一個冗餘的、高度集成的高性能計算單元，不僅用於傳統的姿態控制，還用於實現科學數據處理等自主運行功能。中國月球探測工程已經完成了兩次繞月探測任務，且嫦娥_－2號衞星完成了拓展和再拓展任務，分別對日_－地拉格朗日（L₂）點和“圖塔蒂斯”（Tuotatis）小行星進行了探測。通過月球探測的實踐，中國已經初步掌握了月球及深空探測關鍵技術，建立了支持深空探測的基礎設施，並將逐漸具備對火星及更遠天體探測的能力。隨着對更遠天體探測任務的開展，國內對航天器自主技術的需求也越來越迫切。近年來，針對航天器在軌自主運行技術，國內相關科研院所分別開展了多方面的理論和方法研究。中國空間技術研究院對發展智能自主控制的必要性和需求進行了討論，研究了深空探測的自主導航方法及航天器自主故障診斷技術，並對航天器智能控制實驗平台進行了初步設計。中國科學院空間科學與應用研究中心針對自主控制系統中的規劃技術，提出了貪婪動態規劃算法，研究了基於動態調度情況下空間任務仿真系統的關鍵技術。哈爾濱工業大學研究了深空環境中的故障診斷、航天器任務重規劃技術等。國防科學技術大學研究了多星任務的協調規劃問題，考慮了在任務規劃的同時進行衞星動作規劃。北京理工大學深空探測技術研究所針對深空探測任務特點，研究了深空探測器任務規劃知識表示方法、時間約束處理方法等，設計並實現了基於多智能體的自主任務規劃系統。國內已經在某些航天器任務中實現了航天器的在軌自主姿態確定與控制、故障診斷和隔離、自主交會對接等子系統級自主。但針對深空探測器系統級的自主研究工作還處於初級階段。

深空探測器自主技術的發展大致經歷了下面3個階段：基於規則的航天器自維護階段、航天器局部子系統自主階段、航天器系統級自主階段。

基於規則的航天器自維護階段

基於規則的航天器自維護是指在早期航天器星載計算機能力有限的情況下，結合星上存儲的預設規則進行對硬件的狀態監測和固定策略恢復，完成航天器在空間環境的動態變化和星上異常情況時的在軌自主處理和系統健康狀態自我維護。隨着深空探測活動範圍的擴大和任務數量的增加，航天器出現故障的情況也呈上升趨勢。為了能夠提高探測器的自主生存能力，基於規則的航天器自維護技術受到了航天工程部門的重視。從1980年開始，NASA的噴氣推進實驗室（JPL）便開始對自主探測器維護（ASM）技術進行研究。目的是實現探測器在飛行過程中可以容忍硬件和軟件的故障及設計時的失誤，實現執行任務過程中減少地面的干預。由來自工業、學校和NASA的專家組成的研究團隊，確定了詳細的自主探測器維護技術中的關鍵問題，並細化了今後用於空間探測器系統中的一些技術。美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）開發的第1代自主系統是基於硬件的故障監測和響應自主功能的探測器，其已應用到監測太陽活動的“先進組合探測器”（ACE）中。該系統將故障監測和響應與數據處理子系統、電源子系統等組合，形成了ACE探測器的安全響應策略，可以完成部件健康情況監測、探測器姿態和機動系統總體監測、探測器部件正確開關狀態的維護和基於硬件狀態的自主響應。基於規則的航天器自維護階段僅是根據航天器星載系統中的預設規則進行自身狀態維護和故障恢復，缺少靈活性和實時性，在深空探測器運行環境複雜多變時便不能保證航天器的安全運行。

航天器局部子系統自主階段

隨着計算機技術和航天技術的快速發展，航天器上某些關鍵子系統的結構、功能、控制等得到了深入研究和快速發展，形成了比較獨立、功能專一的自主控制子系統模塊，例如通信控制、命令處理、姿態控制、導航制導、電源管理、故障保護等。美國1996年發射的“近地小行星交會任務”（NEAR），可以對星上故障情況做出反應、保護探測器的安全運行。土星探測器“卡西尼”（Cas－sini）的星上計算機能夠自主進行12個儀器包的控制、探測器的定向、熱環境的控制和數據存儲和通訊。ESA於2004年發射的ROSETTA彗星探測器，實現了人類首次彗星表面自主着陸和彗星樣品的自主採集和分析。雖然這些探測器不是完全的自主，但自主技術的應用可以一定程度上減少任務的操作費用，充分利用星上資源，提高探測器的安全性。子系統自主技術可以實現單個功能的自主運行，但沒有從系統的角度對各個子系統之間進行統籌管理和系統協調，所以並不能脱離地面站的控制，實現整個系統層面的長期自主運行。

航天器系統級自主階段

隨着深空探測任務的增加，任務的操作和地面站資源之間的矛盾越來越凸顯。另外，深空探測器同時也面臨通信大時延、深空環境不確定、環境動態變化等一系列問題。設計人員希望構建一個系統級的自主系統，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，使其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；執行過程中監測命令執行情況，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。系統級的自主系統與傳統操控系統的最大區別是將地面上執行的一些活動（例如任務規劃、命令序列化、探測器行為監測、探測器故障診斷和恢復等）移到了探測器上在軌執行，地面操控系統只需向探測器發送高級指令（例如“對小行星進行觀測”等），而並不需要通過遙測獲取探測器的狀態，然後制定詳細命令序列再上傳給探測器；同時探測所獲取的科學數據也不是全部下傳到地面，而是經過初步的預處理之後，有選擇地進行數據下傳。只有當探測器遇到星上自主操作系統不能處理的故障時，才將探測器置於安全模式，並將相關的數據傳送給地面站系統，等待地面工作人員發送修復命令。這樣，航天器自主操作系統可以大大減少地面工作人員的勞動量，減少對深空通訊網絡的需求，增加任務的可靠性和實時性，降低操作費用。美國DS－1探測器首次實現了系統級自主系統，併成功進行了飛行試驗驗證。其自主系統稱之為遠程智能體軟件系統，由規劃調度模塊、智能執行模塊和模式識別（MI）與故障診斷模塊組成，可以無需地面干預而自主地根據情況產生規劃，消除資源的約束和時間上的衝突，智能執行規劃，並對探測器的健康狀況進行監測，在故障發生的時候進行識別、分離和恢復。DS－1自主技術飛行驗證試驗分為3個階段進行：第1階段僅將自主執行和故障診斷及修復功能加入控制迴路；第2階段加入了自主任務規劃功能；第3階段進行系統級自主管理系統飛行試驗。3個階段飛行試驗都進展順利，結果證明自主技術可以減少DS－1的操作運行費用，增加任務的可靠性和交互性。此次飛行試驗獲得如下經驗：①由於深空探測器系統複雜，在飛行任務之前必須開發自主系統驗證軟件對系統功能及模型進行驗證；②複雜規劃知識的簡化描述和啓發式信息的運用是減少在軌規劃計算量和提高深空探測器自主響應能力的關鍵。在DS－1使用的自主任務規劃系統基礎上，NASA開發了可擴展標準化遠程操作規劃框架（EUROPA）系統和混合自主活動規劃產生器（MAPGEN）系統，並應用於火星着陸探測任務“勇氣號”與“機遇號”兩輛火星車的表面巡遊探測任務規劃中，實現從完全系統自主模式到有限自主模式的各種模式的巡遊探測。為了解決深空探測器長期運行的連續規劃、通用知識的表示、模式快速識別等技術，NASA的阿姆斯（Ames）研究中心、JPL等先後開展系統級自主技術的深入研究，包括：任務智能規劃和執行技術、智能科學數據分析技術、分佈式自主系統技術、自主安全與精確着陸技術、健康監測與診斷技術等。例如：JPL的人工智能部開發的自主調度與規劃環境系統（ASPEN）歐洲空間局為了能夠使參與歐洲空間局的各國科研機構對航天器自主操作形成共同的認識，在2005年制定空間工程標準ECSS[E－70－11]時特別對空間自主進行了定義和分級。並在實際工程中，針對ESA未來的火星上的地外生物項目（ExoMars），開展了自主導航、基於時間線的管理、目標的選擇、儀器配置等關鍵技術研究，目的是確定類似於ExoMars的深空項目的自主需求，建立一個自主系統運行和評估的環境。ESA的ROSET_TA彗星探測器實現了航天器在軌硬件設備狀態管理、數據管理、姿態自主控制、軌道控制、異常分析和評估等自主功能，使探測器在遠離地球時能夠自主進行決策和控制探測器的正確運行，減少地面對航天器進行狀態監視和控制的成本。航天器系統級的自主技術可以使深空探測器實現真正意義上的在軌閉環自主控制。

深空探測器系統自主技術發展的目標是構建一套能夠完成在軌自主運行的自主管理系統，實現航天器任務在軌規劃、智能執行、故障識別與恢復等功能。為了實現無地面站參與的測器自主運行，必須突破自主管理系統設計技術、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、自主科學任務操作技術等關鍵技術。 ^[2] 

在美國航空航天局（NASA）先進概念研究機構（NIAC）的支持下，有關專家正開展一項新型火星大氣層進入探測器的概念研究。這種探測器類似於飛機，被命名為“代達利翁”（Daedalon），以古希臘傳統神化人物名字命名。它是一種可改變飛行翼的無人駕駛飛機，造價僅需2.24億美元，可以滿足2020－2040年發射窗口任務。

這種無人飛機探測技術較之傳統的着陸器和漫遊車的現場勘查技術具有獨特的優勢。首先，探測範圍得以擴大。漫遊車可對行星有限的區域進行現場勘查，而這種有動力的飛行器可全星球飛行，進行高分辨率可見光、紅外、熱、磁和中子等測繪。其次，着陸更加安全。這種飛行器可以現場勘查後，選擇最佳着陸區域着陸。此外，還可以對局部區域進行超高分辨率成像，並將數據傳送給主着陸器。 ^[3]