在2020年4月24日第五个中国航天日，国家航天局宣布，将我国行星探测任务正式命名为“天问”，将我国首次火星探测任务命名为“天问一号”，作为我国行星探测的第一步。
“天问一号是中国行星探测任务名称，该名称源于屈原长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。”
----《人民日报》
7月1日，西昌卫星发射基地景区在一篇推文中表示：2020年7月20日至7月25日期间，海南文昌航天发射场择机将执行“天问一号“火星探测”发射任务。这一消息无疑给人们带来了巨大的喜悦与好奇，上海航天控制技术研究所的郑循江研究员对火星探测环绕段自主光学导航进行了算法研究，该文章发表在《红外与激光工程》2020年5期深空探测专栏。doi: 10.3788/IRLA20190458
火星探测环绕段自主光学导航算法研究（特约）
doi:10.3788/IRLA20190458
----2020年第49卷第5期
郑循江，何 峰，姜丽辉，曹卫卫，肖东东
1 上海航天控制技术研究所
2 南京航空航天大学 航天学院
研究背景
执行深空探测任务必然要建立完善的导航与控制方案来确定轨道信息，对于近地轨道飞行器主要依赖于地面测控网来跟踪测量实现卫星的定轨导航；随着人类对太空探索的深入，飞行器与地面的通信延时会越来越严重 (地-火通信延时可达 22 min)，甚至会出现完全中断 (长时间日凌，最长可达 1 个月) 的情况，此时，单纯依赖地面测控网很难做到实时定轨，应对突发情况；这就要求飞行器能够自主完成定轨、定姿等基本功能，在深空探测领域，自主导航逐渐有替代地面导航成为航天器导航的主体的趋势。
研究内容
由于深空环境的不同，不同任务段所采用的自主导航方式必须充分考虑各自不同的特性，在环绕段导航相机能够捕获到近距离高清的目标天体图像，这有利于提高自主导航的精度，但环火轨道是一个大椭圆轨道，为保证导航精度，导航相机的光学视场不能选择太大，为满足环火科学任务段的导航需求，选择的光学视场在环火段只能拍摄到一段弧，如果只利用该弧段进行导航信息解算，很难达到任务需求，且存在较高的误警率；因此，提出利用地面测定轨的轨道初值及星敏感器的姿态信息先预估火星在相机像平面下的投影，然后将该投影图与相机拍摄到的火星弧段图进行匹配融合计算，最终得到满足任务需求的导航信息。
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投影边缘生成算法
要得到火星在导航相机像平面下的投影图，需要有火星在导航相机像平面下的位置信息 C(X0,Y0,Z0)，该信息可由卫星的 GNC 分系统通过地面测定轨获取。根据光学成像原理建立三维空间到二维空间的投影模型，火星球心坐标为 C ( X0, Y0, Z0)，火星半径为 R，通过图 1 所示几何关系可得到相机可视火星的最大圆的圆心 c(x0,y0,z0) 和半径 r。
图 2 是根据上面投影关系得到的一个仿真结果，其中虚线椭圆为通过先验信息获得的整个火星在像平面的成像，后续计算以此作为标称椭圆，图中*标识弧段为标称椭圆中的模拟成像弧段的对应弧段，+弧段是模拟的导航相机拍摄的真实弧段，是由对标称弧段进行平移、旋转、尺度变化和加入零均值高斯误差得到的。
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三维度弧段匹配算法
导航相机实际成像过程中，受曝光时间、算法模型、安装精度及目标特性等因素的影响，拍摄的弧段相比较于计算得到的弧段可能存在位置、角度和大小三个维度的不匹配问题，无法直接利用计算得到的标称椭圆进行融合计算，需要对标称椭圆进行平移、旋转和尺度的变换。后续计算匹配过程中将相机拍摄得到的弧段，即图 3 中的红色弧段作为目标弧段，把通过计算得到的标称弧段，即图 3 中的粉红色弧段作为待匹配弧段，通过如下 R、t、S 变换流程，最终得到一组变换参数 R、t、S 和匹配后的弧段。如图3 4 所示，采用这种方法可以顺利地把标称椭圆匹配到模拟成像的弧段中，匹配完成以后，就可以对弧段补点然后做椭圆拟合和视线提取。
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椭圆拟合算法
弧段匹配完成后，如图 5 所示，在标称椭上取点补全弧段，然后再对补全后的弧段利用上面最小二乘法进行椭圆拟合得到椭圆参数；如图 6 所示，如果只利用模拟成像弧段做椭圆拟合，会得到绿色的小椭圆，导致算法失效，而黄色椭圆是采点补全后的弧段的拟合结果，图中可粗略看出其与标称椭圆基本重合。
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质心修正及导航参数解算
由于导航相机对火成像时并不是光轴指向火星球心的，因此会导致实际火星球心的投影位置和椭圆拟合的圆心位置不重合的现象，由此带来的误差会随着光轴偏离球心的角度增大而增大，需要对此进行修正才能参与后续的轨道参数解算。
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误差分析
从以下 4 个方面讨论了文中算法的误差及对最终结果的影响：
(1) 输入数据噪声误差 (对应的是导航相机成像的图像噪声) 对形心矢量解算的影响；
(2) 标称椭圆取点数量对形心矢量解算的影响；
(3) 假设的待匹配弧段的与实际真实弧段的偏移量对形心矢量解算的影响；
(4) 输入图像的旋转、平移和尺度变化对形心矢量解算的影响。
研究结果
针对火星探测环绕段的光学自主导航任务的特点，基于导航相机拍摄的小弧段火星边缘，结合初始轨道参数及姿态信息，提出了一种图像融合的高精度导航算法，对工程应用中拍摄弧段存在平移、旋转和尺度变化问题，给出了详细推导过程，并对因光学成像导致的质心偏移问题给出了几何矫正方法；为讨论该算法在工程应用的适用性，文中从图像噪声、标称椭圆取点数量、待匹配弧段偏移量及拍摄弧段误差 4 个方面进行了影响分析；仿真结果显示，该套算法可有效剔除错误拟合结果，在边缘点定位精度达到亚像素的前提下，视线矢量解算精度可达 30″，视线距解算精度可达 2 km。
作者简介
郑循江，研究员，上海航天控制技术研究所，主要从事空间光电敏感器技术方面的研究。
引用格式
Zheng Xunjiang, He Feng, Jiang Lihui, Cao Weiwei, Xiao Dongdong. Research on autonomous optical navigation algorithm for Mars exploration during the surround segment(Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(5): 20190458. doi: 10.3788/IRLA20190458