1.3 航天器多源信息融合自主导航技术

1.3.1 研究应用与进展

由于自主导航本质上是状态估计，因此多源信息融合自主导航属于JDL模型的目标评估（见图1-13）范畴。如果以融合目的为分类标准，则多源信息融合自主导航属于估计融合范畴。

多源信息融合的自主导航技术在实际深空探测任务中得到了具体的应用。由表1-1可以看出，由于同时配置了惯性测量单元（IMU）和光学敏感器，深空探测任务中的自主导航实际上都是多源信息融合自主导航，但是由于习惯，故仍称为光学自主导航。此外，在深空转移段仅利用光学敏感器对不同的小行星进行观测的自主导航方式，也可以看作在不同时段对不同的光学路标进行观测的融合自主导航。对于我国的深空探测任务而言，“嫦娥三号”着陆器利用惯性和测速测距融合自主导航技术实现了月球表面的软着陆。

美国目前正在研制适合深空探测定位系统（Deep Space Positioning System，DPS）的融合导航敏感器。该敏感器由IMU、广角相机和窄角相机组成，其中IMU可以用来测量动力飞行段的加速度和角速度，广角相机能提供更为广阔的视野，而窄角相机能在离目标天体很近时提供高分辨率图像，这几个敏感器组合在一块实现了优势互补。我国也研制了日地月一体化敏感器及大视场、大动态范围光学敏感器，其中日地月一体化敏感器能够实现对太阳、地球和月球的观测，大视场、大动态范围光学敏感器具备实现中心天体与恒星同时观测的能力。

此外，不少学者对深空探测的融合自主导航方法进行了研究，比如惯性和脉冲星融合自主导航、光学和脉冲星融合自主导航以及融合多个光学目标信息的自主导航等。

1.3.2 必要性和优势

深空探测的目标天体距离地球远，仅靠地面测控无论是导航精度还是实时性都难以满足深空探测器的实际需要，因此必须发展自主导航技术。对于深空探测任务而言，任务的多样性和高度自主性决定了多源信息融合自主导航技术成为发展的必然趋势。典型的深空探测任务至少包括地球分离段、转移段和接近段三个飞行阶段，此外还有可能包含环绕段、进入下降着陆段、撞击段等。如果采取单一的自主导航方式，显然无法在时间覆盖性和空间覆盖性上满足要求。未来的深空探测任务必然朝着高度自主的方向发展，这意味着星上能够进行自主故障检测、隔离和恢复（Fault Detection Isolation Recovery，FDIR）。要实现FDIR，信息的冗余必不可少，这也决定了必须研究和发展多源信息融合的自主导航技术。

综上所述，相对单一的敏感器及单一观测目标的自主导航技术，基于多源信息融合的自主导航技术有着很大的优势。

1．增强信息冗余性

采用多源信息可以获得对环境和对某一个特征信息的冗余表达。此外，对于多个敏感器而言，当某个敏感器失效时，多个敏感器提供的冗余信息可以排除故障，提高系统的鲁棒性。

2．扩展时间覆盖性

多个敏感器的协同作用提高了检测概率，因为某个敏感器在某个时间段上可能探测到其他敏感器在该时间段不能顾及的目标或事件。此外，多个敏感器系统的并行运行特性，可使信息获取的速度倍增。

3．扩展空间覆盖性

多个交叠覆盖的敏感器作用区域，扩展了空间覆盖范围，因为一种敏感器有可能探测到其他敏感器探测不到的地方。此外，在不同的空间范围内对不同目标进行观测，在一定程度上也扩展了空间覆盖性。

4．减少信息获取成本

从表面上看，似乎多个敏感器系统要比单个敏感器系统昂贵，但对于获取同等的信息而言，用单个敏感器实现往往要耗费更多。