深空自主导航光学敏感器及其验证
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ＨＡＯ Ｙｕｎ ａ ， ＡＮＧ ｙ ｃ ｉ一 Ｗ Ｄａ ｉ’
（ ． ｅ ｇＩｓｔｔ ｏ ｏ ｔ ｌ ｎ ｉ ｅｉ Ｂ ｎ ０ １ ０，ｈｎ ； Ｊ ｎ ｔｕ Ｃ ｎｒ ｇｎ ｒ ｇ， ｅ ｇ１ ０ ９ Ｃ ｉａ ｎ ｉ ｅｆ ｏＥ ｅ ｎ
２ ｃ ｎｅ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ｎＳａｅＩｔｌ ｅｔ ｏ ｔ ｌ ａｏａｏｙ Ｂ ｉｎ ０ １ ０， ｈｎ ） ．Ｓｉ ｃ ａ ｄＴｃｎ ｌ ｙｏ ｐ ｃ ｎ ｌｇｎ ｎｒ ｂｒｔｒ ， ｅｉｇ１ ０ Ｃ ｉａ ｅ ｏ ｅｉ Ｃ ｏＬ ｊ ９
１２ 光学自主导航敏感器原型样机技术指标及其分解 ． 表 ２为经过 论证 的光学 导航 敏感 器原 理样 机 的
视 场 角／ 。 （）
Ｏ． 。 ×０． 。 ８ ８
２ ０
火 星 杂 光 抑 制 角／ 。 （）
曝 光 时 间／ ｓ
Ｏ． ～ ５ ５ Ｏ
１ ２ ≥ Ｏ． ２ ≥ ０． ８ ≤ｌ 。 Ｏ
（． １ 北京 控制 工程 研 究所 ， 京 １０ ９ ； ． 北 ０ １ ０ ２ 空间智 能 控制 技术 重点 实验 室 ， 京 １ ０ ９ ） 北 ０ １０ 摘 要 ：利 用光 学导航敏 感 器进 行 深 空 自主导 航 在 国际 上 已成 为一种 发 展 趋 势 ， 这种 方 法具 有 自
ｔ ｅ ｗｏ ｌ Ｔｈ ｅｈ ｄ ｈ ｓ ｍａ ｙ ｂ ｎ ｆｔ ｕｃ ｓ ｇ ｏ ｕ ｏ ｍ ｏ ｂ ｌ ｙ，ｈ ｇ ｃ ｕ ａ ｙ，ｌｗ ｏ ｔａ ｄ ｈ ｒｄ． ｅ ｍ ｔ ｏ ａ ｎ ｅ ｅｉｓ ｓ ｈ ａ ｏ ｄ ａ ｔｎｏ ｕｓａ ｉｉ ｔ ｉｈ ａ ｃ ｒ ｃ ｏ ｃ ｓ ｎ Ｓ ｎ Ｄｅ ｉｎ， ｄ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔ ｎ ａ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｈ Ｏｏ ． ｓｇ ｅ ｅｏ ｍ ｎ ，ａ ｄ ｖ ｌｄ ｔｏ ｆｔ ｅ ＯＮＳ ａ ｅ ｆｒ ｔｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｉ ｉ ｎ ｔ ｓ ｐａ ｅ ． Ｔｈｅ ｒ ｓ ｉｃ ｓ ｅ ｎ Ｃｈｎａ ｉ ｈｉ ｐ ｒ ｉ
表 ２ 光 学 导 航 敏 感 器 原 理 样 机 的 技 术 指 标 及 其 指 标 分 解
Ｔａ ２ Ｔｅ ｈ ｉ ａ ｐ ｃｆｃ ｔｏ ｎ ｔ ｔ ｉｓｏ ｂ． ｃ ｎ ｃ ｌｓ ｅ ｉ ａｉｎ ａ ｄ ｉｓｄｅａｌ ｆ ｉ ｔ ｅ ＯＮＳ’ ｏｔｔｐ ｘ ｍｐｌ ｈ Ｓｐｒ ｏｙ ｅ ｅ ａ ｅ
民 用 ８ ３资 助 项 目（ ０ ８ Ａ ２ ２ ３ ６ ２０ Ａ １Ａ ０ ）
收 稿 日期 ： ０ １０ —５ ２ １ —８ １
自主导 航敏 感器 ， 环 绕 深 空 天 体 飞行 的 自主 环 绕 指
导航 敏感 器 ． 本文 讨论 的是 第一 种类 型 ． 经 过项 目调 研 ， 了解 了近 年来 国 际上 对 深 空 巡 航光 学 自主 导航 敏感 器 的开 发 和 应 用状 况 ， 中与 其 本文 所 述 类 型 相 近 ， 见 诸 报 道 的 主 要 有 以下 表 １ 且
主 导航技 术 ， 导航敏 感器 精度 高达 ２ ｒｄ ０ ４ ． ／ ａ （ ． １） ｘ 本 文首 次 阐述 了所研 制 的光学 导航 敏感器 原 型 样 机设计 、 制情况 和关 键指 标验证 问题． 研
和反射 式． 反式 因其消 色差 和复 消色在设 计 难度 、 折 镜 头重 量 、 材料 和造 价上 的劣 势一般 很少 采用 ． 考虑 了折反 式和 反射式 的优 缺点 ， 结合 实 际要 求 ， 选择 折
主 性 强、 精度 高、 约成 本等优 点 ， 节 且距 离地球越 远 越显 优 势． 国 内首 次开展 了用于深 空巡航 段 的 在
自主 光 学导航敏 感 器设 计研 制和 验证 工作 ， 所研 制 的光 学导航敏 感 器原 型样机 设 计技 术指 标为 ： 焦
距 ９ ３ ８ ｍ， 场 角 ０ ８ ×０ ８ ， 测 极 限 灵 敏 度 １ Ｍｖ 测 量 精 度 ０ ５ （ ｏ） 动 态 范 围 １０ １ 试 验 ５ ．ｍ 视 ． 。 ． 。探 ２ ， ． １ｒ ， ０：．
第 ３ ８卷
第 ３期
空 间 控 制 技 术 与 应 用
Ａｅ ｏ ｐ ｃ ｎ ｒ ｌａ ｄ Ａｐ ｌｃ ｔｏ ｒ ｓ ａ ｅ Ｃｏ ｔｏ ｎ ｐ ｉ ａｉｎ ・５ ・
２１ ０ ２年 ６月
深 空 自主 导 航 光 学 敏 感 器 及 其 验 证 术
郝 云 彩 ， 大 轶 王
ＤｏＩ ０ ３ ６ ／ ．ｓｎ １ ７ —５ ９ ２ １ ． ３ ０ ２ ：１ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ６ ４ １ ７ ． ０ ２ ０ ． ０
Ａｎ Ｏ ｐ ｉ ａ ｖ ｇ ｔｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｌｄａ ｉ ｎ ｆ ｒ Ｄｅ ｐ Ｓ ｃ ｖ ｇ ｔｏ ｔｃ ｌＮａ ｉ ａ ｉ ｎ Ｓｅ ｓ ｒ ａ ｄ Ｉ ｓ Ｖａ ｉ ｔｏ ｏ ｅ ｐａ ｅ Ｎａ ｉ ａ ｉ ｎ
探 测 极 限 星 等／ ｙ Ｍ
ＭＴ ／ ３ ． Ｆ （ ８ ５线 对 ／ ｍ） ｍ 透 过 率 （ 光谱 平 均 ） 全
技 术 指标及 其分 解．
２ 光 学 系统
２ １ 光 学 系 统 选 型 ．
与其他 航天器 姿 态 和 导 航测 量敏 感 器相 比较 ，
深 空 自主导 航光 学敏感 器 的特点 如下 ：
指 标 名 称
性 能 指 标 ０ ５ （ ） ．（ １
９ ～ １２
（） １ 观测 量为 小行 星或者 天体 表 面特 征 ；
（） ２ 具有 较高 的探 测极 限灵敏 度和 动态 范 围 ；
所列 几种 类 型．
・
６・
空 间控 制 技 术 与 应 用 表 １ 近 年 来 国 外 主 要 巡 航 段 自主 导 航 光 学敏 感 器
Ｔａ ．１ Ｓ ｍｅ ｏ ｉ ｖ ｒ ｅ ｓｏ ｔｃ ｌｓ ｎ ｏ ｓｆ ｒａ ｔｎｏ ｕ ａ ｉａｉ ｎ ｏ ｒ ｓ ａ ｅ ｉ ｈ ｅ ｅ ｔｙｅ ｒ ｂ ｏ ｆｍａｎ ｏ ｅ ｓ ａ ｐ ｉａ ｅ ｓ ｒ ｏ ｕ ｏ ｍｏ ｓ ｎ ｖｇ ｔｏ ｎ ｃ ｕｉｅ ｐｈ ｓ ｎ ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ａ ｓ
应 用． 目前 深空 自主导 航 技 术 已经 由传 统 的地 面测 量 向基 于探 测器 自身 携带 光学 自主导航 敏感 器 的 自 主 导航 方 向发展 ， 学 自主 导 航 已成 为 当 前 国 内外 光
深空 自主导航 发 展趋 势 ． 深 空 自主 导 航 敏感 器 一 般 分 为 ３类 ： 一是 巡 航 段 自主导 航敏 感器 ， 在 地 球 启程 奔 向深 空 目标 的 它
著 名 的美 国 Ｄ ． 火 星探 测器 于 １ ９ Ｓ１ ９ ９年 ４月成
巡航 段 通过 观测 多 颗 小行 星角 方 位 ， 过 滤 波 计 算 通
自主确 定 飞行探 测器 在地 球惯 性坐 标 系 中的位置 和
功 结束 了其 飞行 任 务 ， 证 了 ２ 验 ０项 先 进 技 术 ， 中 其
施 密特 校正 板是 １个 高 次 非 球 面外 ， 余 光 学 面 均 其
１ 光 学 导 航 敏 感 器 的特 点 和技 术 指 标
分 解
１ １ 用于深 空 自主导 航的光 学敏 感器 特点 ．
为球 面 ， 窗 口玻 璃为 平板 ， 于修磨 、 且 便 安装 和调 试 ，
且低成 本 ． 图 １所示 ． 如
Ａｂ ｔａ ｔ Ａｐ ｌ ａｉｎ ｏ ｎ ｏ ｔ ａ ａ ｉａｉｎ ｓ ｎ ｏ Ｏ ｓｒ ｃ ： ｐｉ ｔ ｆａ ｐｉ ｌ ｖｇ ｔ ｅ ｓｒ（ ＮＳ）ｉ ａｔｎ ｅ ｃ ｏ ｅ ｐ ｓ ａ ｅｎ ｖｇ ｔ ｎ ｉ ｃ ｏ ｃ ｎ ｏ ｓ ｅ ｄ ｎ ｙ ｆｒｄ ｅ ｐ ｃ 自主 导 航 技 术 ¨ ． 后 ， 此 深
速度 ； 是 避障 和着 陆 自主导航 敏感 器 ， 于深 空着 二 用
陆 寻地 的成像 识 别 与着 陆导 航 敏 感 器 ； 是 环 天 体 三
空 光学 自主导航 就 由理论 方法 研究 走 向 了工程 实 际
室测试 和 外场观 星试 验 的结 果表 明 ， 量 精 度 达 到 ０ ５ （ 盯） 探 测 极 限 灵敏 度 达 到 １ ． Ｍｖ 技 术 测 ．” １ ， ２５ ，
指 标全部 满 足要 求．
关 键词 ：深 空探 测 ； 自主导 航 ；光 学敏 感 器 ；图像 处理 中图分 类号 ： Ｎ ７ Ｔ ３９ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：１７ —５ ９ ２ １ ） ３０ ０ ．６ ６ ４ １ ７ （ ０ ２ ０ ．０ ５０
测 量 精 度 极 限探 测灵 敏 度 ／ Ｍｖ
（ ） 于 １ 的测 量精 度 ； ３优
（） ４ 长焦 距 和小视 场角 ；
动 态 范 围
焦 距／ ｍ ｍ
１： ０ １０
９ ３ ８ ５ ．
（ ） 曝光 时间带 来复杂 的 目标像拖 影 ； ５长 （ ） 高的 消杂光 技术要 求 ． ６更
ｍａｎ ｔ ｃ ｎｉａ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ｏ ｈ ｉ ｅ ｈ ｃ ｌｐａａ ｔｒ ｆｔ ｅ ＯＮＳ ａ ｃ ａ ｏｌｗｓ：ｔ ｏ ａ ｅ ｇｈ ｉ ３． ｒ ｍ ，ｈ ｅｄ ｏ ｉｗ ｓ ｒ ｓ ｆｌｏ ｈｅ ｆ ｃ ｌｌ ｎ ｔ ｓ９５ ８ ａ ｔ ｅ ｆ ｌ ｆ ｖｅ ｉ ｉ ０． 。 ×０． ８ ８。，ｈ ｉ ｔｎ ｔｃ ｉｎ ｓ ｎ ｉ ｖｔ ｓ １ ｖ，ｔ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔａ ｃ ｒ ｃ ｓ０． ，ａ ｄ ｔ ｅ ｄ — ｔ ｅ ｌｍｉｉ ｇ ｄｅｅ ｔｏ ｅ ｓｔ ｉ ｉ ２ Ｍ ｉ ｙ ｈ ａ ｕ ｅ ｎ ｃ ｕ ａ ｙ ｉ ５ ｎ ｈ ｙ
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１２ 光学自主导航敏感器原型样机技术指标及其分解 ． 表 ２为经过 论证 的光学 导航 敏感 器原 理样 机 的
视 场 角／ 。 （）
Ｏ． 。 ×０． 。 ８ ８
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火 星 杂 光 抑 制 角／ 。 （）
曝 光 时 间／ ｓ
Ｏ． ～ ５ ５ Ｏ
１ ２ ≥ Ｏ． ２ ≥ ０． ８ ≤ｌ 。 Ｏ
（． １ 北京 控制 工程 研 究所 ， 京 １０ ９ ； ． 北 ０ １ ０ ２ 空间智 能 控制 技术 重点 实验 室 ， 京 １ ０ ９ ） 北 ０ １０ 摘 要 ：利 用光 学导航敏 感 器进 行 深 空 自主导 航 在 国际 上 已成 为一种 发 展 趋 势 ， 这种 方 法具 有 自
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表 ２ 光 学 导 航 敏 感 器 原 理 样 机 的 技 术 指 标 及 其 指 标 分 解
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自主导 航敏 感器 ， 环 绕 深 空 天 体 飞行 的 自主 环 绕 指
导航 敏感 器 ． 本文 讨论 的是 第一 种类 型 ． 经 过项 目调 研 ， 了解 了近 年来 国 际上 对 深 空 巡 航光 学 自主 导航 敏感 器 的开 发 和 应 用状 况 ， 中与 其 本文 所 述 类 型 相 近 ， 见 诸 报 道 的 主 要 有 以下 表 １ 且
主 导航技 术 ， 导航敏 感器 精度 高达 ２ ｒｄ ０ ４ ． ／ ａ （ ． １） ｘ 本 文首 次 阐述 了所研 制 的光学 导航 敏感器 原 型 样 机设计 、 制情况 和关 键指 标验证 问题． 研
和反射 式． 反式 因其消 色差 和复 消色在设 计 难度 、 折 镜 头重 量 、 材料 和造 价上 的劣 势一般 很少 采用 ． 考虑 了折反 式和 反射式 的优 缺点 ， 结合 实 际要 求 ， 选择 折
主 性 强、 精度 高、 约成 本等优 点 ， 节 且距 离地球越 远 越显 优 势． 国 内首 次开展 了用于深 空巡航 段 的 在
自主 光 学导航敏 感 器设 计研 制和 验证 工作 ， 所研 制 的光 学导航敏 感 器原 型样机 设 计技 术指 标为 ： 焦
距 ９ ３ ８ ｍ， 场 角 ０ ８ ×０ ８ ， 测 极 限 灵 敏 度 １ Ｍｖ 测 量 精 度 ０ ５ （ ｏ） 动 态 范 围 １０ １ 试 验 ５ ．ｍ 视 ． 。 ． 。探 ２ ， ． １ｒ ， ０：．
第 ３ ８卷
第 ３期
空 间 控 制 技 术 与 应 用
Ａｅ ｏ ｐ ｃ ｎ ｒ ｌａ ｄ Ａｐ ｌｃ ｔｏ ｒ ｓ ａ ｅ Ｃｏ ｔｏ ｎ ｐ ｉ ａｉｎ ・５ ・
２１ ０ ２年 ６月
深 空 自主 导 航 光 学 敏 感 器 及 其 验 证 术
郝 云 彩 ， 大 轶 王
ＤｏＩ ０ ３ ６ ／ ．ｓｎ １ ７ —５ ９ ２ １ ． ３ ０ ２ ：１ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ６ ４ １ ７ ． ０ ２ ０ ． ０
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２ 光 学 系统
２ １ 光 学 系 统 选 型 ．
与其他 航天器 姿 态 和 导 航测 量敏 感 器相 比较 ，
深 空 自主导 航光 学敏感 器 的特点 如下 ：
指 标 名 称
性 能 指 标 ０ ５ （ ） ．（ １
９ ～ １２
（） １ 观测 量为 小行 星或者 天体 表 面特 征 ；
（） ２ 具有 较高 的探 测极 限灵敏 度和 动态 范 围 ；
所列 几种 类 型．
・
６・
空 间控 制 技 术 与 应 用 表 １ 近 年 来 国 外 主 要 巡 航 段 自主 导 航 光 学敏 感 器
Ｔａ ．１ Ｓ ｍｅ ｏ ｉ ｖ ｒ ｅ ｓｏ ｔｃ ｌｓ ｎ ｏ ｓｆ ｒａ ｔｎｏ ｕ ａ ｉａｉ ｎ ｏ ｒ ｓ ａ ｅ ｉ ｈ ｅ ｅ ｔｙｅ ｒ ｂ ｏ ｆｍａｎ ｏ ｅ ｓ ａ ｐ ｉａ ｅ ｓ ｒ ｏ ｕ ｏ ｍｏ ｓ ｎ ｖｇ ｔｏ ｎ ｃ ｕｉｅ ｐｈ ｓ ｎ ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ａ ｓ
应 用． 目前 深空 自主导 航 技 术 已经 由传 统 的地 面测 量 向基 于探 测器 自身 携带 光学 自主导航 敏感 器 的 自 主 导航 方 向发展 ， 学 自主 导 航 已成 为 当 前 国 内外 光
深空 自主导航 发 展趋 势 ． 深 空 自主 导 航 敏感 器 一 般 分 为 ３类 ： 一是 巡 航 段 自主导 航敏 感器 ， 在 地 球 启程 奔 向深 空 目标 的 它
著 名 的美 国 Ｄ ． 火 星探 测器 于 １ ９ Ｓ１ ９ ９年 ４月成
巡航 段 通过 观测 多 颗 小行 星角 方 位 ， 过 滤 波 计 算 通
自主确 定 飞行探 测器 在地 球惯 性坐 标 系 中的位置 和
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施 密特 校正 板是 １个 高 次 非 球 面外 ， 余 光 学 面 均 其
１ 光 学 导 航 敏 感 器 的特 点 和技 术 指 标
分 解
１ １ 用于深 空 自主导 航的光 学敏 感器 特点 ．
为球 面 ， 窗 口玻 璃为 平板 ， 于修磨 、 且 便 安装 和调 试 ，
且低成 本 ． 图 １所示 ． 如
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速度 ； 是 避障 和着 陆 自主导航 敏感 器 ， 于深 空着 二 用
陆 寻地 的成像 识 别 与着 陆导 航 敏 感 器 ； 是 环 天 体 三
空 光学 自主导航 就 由理论 方法 研究 走 向 了工程 实 际
室测试 和 外场观 星试 验 的结 果表 明 ， 量 精 度 达 到 ０ ５ （ 盯） 探 测 极 限 灵敏 度 达 到 １ ． Ｍｖ 技 术 测 ．” １ ， ２５ ，
指 标全部 满 足要 求．
关 键词 ：深 空探 测 ； 自主导 航 ；光 学敏 感 器 ；图像 处理 中图分 类号 ： Ｎ ７ Ｔ ３９ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：１７ —５ ９ ２ １ ） ３０ ０ ．６ ６ ４ １ ７ （ ０ ２ ０ ．０ ５０
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（ ） 于 １ 的测 量精 度 ； ３优
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动 态 范 围
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１： ０ １０
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