光學導航系統

光學導航系統（ONS）利用物理光學測量的方法，通過測量導航裝置和參考表面之間的相對運動的程度（速度和距離），進而確定相對位置和姿態信息。

基本介紹

• 中文名：光學導航系統
• 外文名：optical navigation system
• 原理：光學測距
• 關鍵組成：光學導航敏感器

光學導航研究現狀與分析

狹義的相對導航指的是探測器相對位置的確定，而廣義的相對導航包括了探測器相對位置和姿態估計。相對導航是以測量探測器之間或者探測器與目標體之間相對距離、方位信息為基礎，進而確定出某一探測器相對於其他探測器或目標體的位置、姿態信息。通常，絕對導航給出的是探測器在某一慣性參考系下的坐標、方位;而相對導航給出的是被導航探測器相對於非慣性系的位置坐標。相對導航技術隨著近距離的交會任務的實施而不斷地發
展、完善起來。近距離高精度的相對導航技術在太空飛行器編隊飛行、空中加油和探測器星際軟著陸中有著廣闊的套用前景。
光學導航是藉助於光學敏感器測量來確定太空飛行器相對位置和姿態的一門技術，由於其導航精度較無線電導航更高，故又成為光學精確導航。光學相對導航技術的研究工作開始於上世紀60年代的美國，旨在為宇宙飛船交會
對接提供精確的導航信息。在此後的30多年間，空間探測和軍事活動對光電感測器的需求口益迫切，美國、法國、日本、德國和加拿大等國先後發展了各種光電感測器，分別套用於衛星和宇宙飛船的交會對接、直升機著陸和星際軟著陸等任務中。

光學導航敏感器發展現狀

光學導航敏感器是光學導航系統的關鍵組成部分，針對不同的任務的需要，各航天大國和航天組織發展了一系列的新型的光學導航敏感器。

導航相機

導航相機是許多深空探測器用來導航的光學敏感器，也是收集科學數據的圖像設備。在“水手”(Mariner)和火星探測“海盜”(Viking)任務上首次驗證了深空探測光學導航，“旅行者”（ Voyage第一次利用光學導航來完成主要導航任務。在“伽利略”（Galileo）號探測器接近和飛越Ida和Gaspra小行星任務上成功地套用了光學導航。NEAR探測器上安裝的多光譜成像儀的MSI（ Muti-Spectral Imager）由一個幀頻為1Hz的對可見光和接近紅外波段敏感的CCD相機和一個數據處理單元組成。MSI的主要科學用途是測量433號小行星Eros的體積和測繪其表面形態，同時它也是探測器被小天體引力場捕獲前的關鍵導航測量設備。

VisNav

VisNav是由美國Texas A&M大學開發的適用於近距離自主接近操作的新一代低成本、多用途光學導航系統。該系統由模擬光電感測器、特殊的結構化光源(標燈)組成。其中，位置敏感器PSD位於寬視場透鏡的焦平面上。標燈發出的光經過透鏡折射照射到PSD的主動區域並沿著四個正交方向產生電流，再經過適當的電子數字處理過程得到入射光方向視線的精確測量。最後，利用得到多個視線矢量測量，VisNav系統嵌入的數位訊號處理器DSP可以計算得到太空飛行器的六自由度相對位置和姿態信息。

雷射雷達/雷射測距儀

雷射雷達/雷射測距儀是MUSES-C任務將要使用的光學敏感器。LIDAR是一個脈衝雷射雷達，其範圍精度為士10m在距離~50km左右和士lm在距離_50m左右。當探測器距離小行星表面50km時，LIDAR開始測量探測器與小行星表面的距離。LIDAR的範圍測量功能主要用來測量目標小行星的引力場、形狀和表面粗糙度。當探測器距離小天體距離小於50m時，MUSES-C探測器將利用雷射測距儀(LRF-Laser Range Finder)來測量探測器距離小天體表面的距離。 NLR（NEAR Laser Rangefinder）是NEAR任務中發展的紅外脈衝雷射測距儀，用來測量探測器和目標小行星Eros之間的相對距離。NLR數據和其他導航數據相結合可以對目標小行星的體積、質量和地貌特徵進行精確建模。羅塞塔任務也發展了雷射掃描測距儀LRF ( Laser Scanning Range Finder），用於最終著陸段的地形輔助導航。

雷射成像測距儀/雷射測距相機

雷射成像測距儀/雷射測距相機隨著各種新型交會任務的提出和發展，需要新一代的高精度、魯棒性好的導航敏感器與之相適應，雷射成像測距儀LIR ( Laser Imaging and Ranging)和雷射測距相機LRC ( Laser Range
and Camera)在這種背景下應運而生。 LIR和LRC綜合了光學導航相機和雷射測距儀的測量功能，可以同時測量探測器和目標之間的距離信息和圖像信息，即可以直接輸出探測器到導航信標(特徵點)的矢量(視線加距離)信息。" Clementine”月球探測任務提出了利用雷射成像測距儀LIDAR(Laser Imaging Detection and Ranging)獲得月球地貌的構想，在“發現號”太空梭交會、對接國際空間站的飛行任務中雷射成像測距儀得到了初步的套用。

光學導航系統的測量類型

目前已經發展的光學導航系統的測量類型分為下面幾類:

圖像信息測量

圖像信息測量主要是指利用導航相機獲得天體中心、天體邊緣和天體表面可視導航目標的圖像，用於光學導航。如深空1號，利用MICAS對小行星和背景星進行光學測量，獲得小行星和背景星的圖像信息。美國JPL實驗室的B haskaran等提出的繞飛小天體的軌道確定是利用導航相機觀測的小天體邊緣圖像。日本的MUSES-C任務是利用導航相機對小行星表面的可視著陸目標進行拍照。

角度信息測量

角度信息測量指對己知天體視線夾角的測量。如1 ) SS-ANARS(空間六分儀)，利用空間六分儀的基準，測量恆星與地球和月球邊緣的夾角;2 ) TAOS計畫中的MANS自主導航系統，計算太陽、月球和地心矢量之間的夾角;3 ) AGN(自主制導和導航系統) 測量探測器與行星和恆星的夾角；天文導航中的近天體/探測器/遠天體夾角測量、近天體/探測器/近天體夾角測量及探測器對近天體視角的測量。

視線信息測量

視線信息測量指對己知天體中心或者目標天體表面的特徵點視線方向的測量。如1)林肯實驗衛星(LES)，測量太陽矢量和地心矢量；2)德克薩斯大學(Texas University)的Tucknese等提出的月球探測轉移段的自主導航系統，測量太陽、月球和地球的方位角； 3）天文導航中的掩星測量；4)基於特徵信標/陸標跟蹤的自主導航。

距離測量

距離測量對於地球衛星，利用微波雷達高度計測量衛星距離地面的距離；基於GPS的自主導航方式，測量探測器距離GPS星的距離。而小天體探測器一般在接近小天體時，自主導航系統才進行距離測量。日本的MUSES-C任務提出的自主著陸小行星的導航算法，利用雷射雷達或測距儀測量探測器到小行星表面的距離。