我国深空探测光学敏感器技术发展与应用（特约）
doi:10./IRLA
----年第49卷第5期
王立，吴奋陟，梁潇
北京控制工程研究所
主要内容
空间光学敏感器是指应用于空间环境中基于光学探测原理获取航天器姿态或导航信息的敏感器，空间光学敏感器是航天器的“眼睛”，为遥感测绘、武器跟瞄、科学观测、深空探测等空间任务提供精确指向或位置信息。空间光学敏感器与遥感相机、空间望远镜、对地激光高度计等光学载荷的探测机制类似，但两者在功能和作用上又有明显区别，光学载荷的目标一般是为科学探测提供有价值的物理据，而光学敏感器要为平台提供测量数据。相比载荷，光学敏感器的数据直接接入控制闭环，输出要求实时性、准确性和可靠性，是航天器平台安全稳定运行的重要保障。北京控制工程研究所的王立研究员对我国深空探测任务中研制与应用的光学敏感器典型产品进行了综述，并对其关键技术和发展趋势进行论述。
近几年，我国在深空探测领域发展迅速令世人瞩目，年“嫦娥三号”首次实现基于机器视觉的月面软着陆，年“嫦娥四号”首次完成月球背面软着陆，在此工程任务中“光学敏感器”发挥了关键作用。按照深空探测任务场景的不同，深空探测光学敏感器包括姿态测量敏感器、自主导航敏感器、着陆避障敏感器及巡视探测敏感器等。
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姿态测量敏感器
星敏感器是最常用的姿态测量敏感器，通过观测和识别视场内的多颗恒星获取光轴在惯性系的指向，用于航天器惯性姿态确定。随着我国深空探测任务的不断推进，对星敏感器探测能力的要求也越来越高。下图是探月工程“嫦娥”系列卫星配置的星敏感器实物图。
图1（a）“嫦娥一/二号”中等精度星敏感器；（b）“嫦娥三/四号”APS星敏感器；（c）“嫦娥五号”小型长寿命星敏感器
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自主导航光学敏感器
深空探测自主导航光学敏感器，可以通过对行星、小天体、X射线脉冲星等参考目标进行成像，以实现相对定向和自主导航，能够代替地面测控系统用于探测器星际飞行自主导航与目标接近引导。针对不同深空探测任务的具体需要，我国发展了紫外月球敏感器、脉冲星导航敏感器等一系列可用于深空探测的自主导航光学敏感器。
紫外月球敏感器
利用紫外月球敏感器进行航天器姿态确定是我国探月工程的首创。紫外月球敏感器在“嫦娥一号”、“嫦娥二号”探测器环月过程中对月球表面成像，通过对月球边缘信息进行提取和处理，确定月心矢量。
图2（a）“嫦娥一号/二号”探测器紫外月球敏感器实物图；（b）在轨图像
脉冲星导航敏感器
脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线光子作为天然信标，通过探测多颗脉冲星的光子信号到达太阳系质心的时间和到达航天器的时间差，从而确定航天器在太阳系质心坐标系下的位置、速度、时间和姿态等导航参数。
图3X射线脉冲星导航敏感器实物图
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着陆避障光学敏感器
“嫦娥三号”和“嫦娥四号”着陆探测器在下降过程中创造性地实现了接力避障策略，首先在远距离依靠着陆光学成像敏感器进行粗障碍检测与规避，由着陆光学成像敏感器对预选着陆区地形进行大动态范围成像，利用快速鲁棒图像分割算法、区域安全度评估算法，避开大型撞击坑在成像区域内选择安全着陆区域。悬停段开始，激光三维成像敏感器对正下方着陆区进行精细化高程成像，通过区域地形坡度拟合判断障碍高差，避开小撞击坑和石块选择最平坦着陆区域实现安全软着陆。
图4（a）“嫦娥三号/四号”着陆光学成像敏感器；（b）“嫦娥三号/四号”激光三维成像敏感器
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巡视探测光学敏感器
“嫦娥三号”和“嫦娥四号”巡视器视觉导航系统配置了一对导航相机和一对避障相机。导航相机安装于巡视器桅杆，可获得月面巡视器四周大范围地形信息，从而为巡视器全局路径规划服务。
图5（a）“嫦娥三号/四号”巡视器避障相机实物图；（b）在轨图像
关键技术
深空探测光学敏感器的发展进步依赖以下关键技术：
(1)图像处理与识别算法。图像处理与识别是深空探测光学敏感器感知空间环境、准确提供导航数据的前提。低信噪比下的目标识别与参数估计、特征提取与地形匹配导航、基于视觉SLAM和深度学习的巡视定位等都是深空探测光学敏感器未来发展和性能提升的关键。
(2)高性能图像处理平台。深空探测光学敏感器实现自主化、智能化依赖高性能图像处理平台的计算能力，尤其对于我国未来小行星探测任务、木星及行星际穿越任务，高可靠、高性能的计算能力更为重要。
(3)地面验证技术。深空探测属高价值空间探测任务，在地面利用大型试验系统按照实际任务模式对深空探测光学敏感器的综合性能和关键指标进行系统性验证，能够有效考核敏感器的设计和实现情况，降低任务风险，是任务成功的重要保证。
(4)在轨标定技术。深空探测任务期周期长、空间环境复杂，光学敏感器的光机结构和辐射特性不可避免会发生变化，因此，在轨标定技术对于深空探测光学敏感器保持良好的在轨性能尤为重要。
未来趋势
未来深空探测光学敏感器发展趋势如下：
(1)导航敏感器与科学载荷一体化设计。敏感器兼具导航和科学探测能力，能够有效降低深空探测航天器的运载压力和任务成本，提高敏感器探测能力和科学产出。美国OSIRIS-REx小行星探测任务，科学OCAMS相机套件中的PolyCam、MapCam和SamCam既承担遥感制图和光谱观测等科学任务，同时还要完成星图导航、目标光学捕获、路标导航等导航任务。
(2)自主智能化。深空探测光学敏感器不再完全依赖地面遥操作，能够自主决策和在线故障诊断与恢复，完成诸如在线制图与路标导航、巡视器自主导航与定位等在轨操作，降低深空网数传压力、应对探测目标和任务的不确定性。以深度学习为代表的智能化算法，能够有效提高深空探测光学敏感器的环境感知能力，提升探测任务对不确定环境和探测目标的适应性，在深空探测资源受限的条件下提升任务自主规划能力。
(3)轻小型。在保持和提高测量精度等性能指标的前提下，选用新型材料和一体化设计思想，降低光学敏感器尺寸和重量。
(4)长寿命、高可靠。深空探测风险大、周期长、成本高，任务顶层设计趋向于多目标探测，我国小行星探测任务已明确提出“一次任务完成近地小行星伴飞、附着、取样返回和主带彗星探测”，这就要求深空探测光学敏感器具有15年以上寿命，能够在任务周期内可靠稳定工作。
(5)多体制数据融合。例如光学相机和激光雷达是深空探测中最常用的两种光学敏感器。光学相机影像具有分辨率高、光谱信息丰富等特点，而激光雷达能够提供高精度的深度数据；将不同类型光学敏感器的探测数据相互融合，能够丰富探测数据，保证深空探测导航信息的可靠性。
作者简介
王立，研究员，北京控制工程研究所，主要从事深空探测光学导航及光学敏感器方面的研究。
引用格式
WangLi,WuFenzhi,LiangXiao.TechnicaldevelopmentandapplicationofChinadeepspaceexplorationopticalsensor(Invited)[J].InfraredandLaserEngineering,,49(5):.doi:10./IRLA
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