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文|江卿曻

编辑|江卿曻

前言

太空探索一直以来都是人类社会的梦想和追求，随着科技的发展，人类开始向更远的星球探索进军，行星表面巡视器的自主导航技术成为这一探索过程中至关重要的一环。

目前，国内外科学家和工程师们已经取得了一些重要的突破，在行星表面巡视器自主导航技术方面进行了广泛的研究。

包括利用传感器和视觉识别技术实现行星表面地形的三维建模，利用智能算法和机器学习方法提高行星表面巡视器的路径规划和避障能力等。这些技术的发展，为行星探测任务的成功实施提供了强有力的支持。

国内外行星表面巡视器自主导航技术研究方法是怎样的？有什么原理？

国内外行星表面巡视器自主导航技术概述

行星表面巡视器是一种能够在其他星球或卫星表面进行科学探测的机器人，它们被设计用来收集各种数据，包括地质构成、气候条件、生态系统等。

自主导航技术是指行星表面巡视器通过内部算法和传感器，独立地进行路径规划、避障和导航，而无需地面指令或遥控操作。

自从20世纪60年代以来，国内外科学家和工程师们开始致力于行星探测任务。这些任务旨在探索太阳系中的其他星球和卫星，以了解它们的构成、气候、地质特征等。

最著名的行星探测任务包括美国的“火星探测器”和“月球车”项目，以及俄罗斯的“月球三号”和“火星火箭”项目。这些任务不仅为我们提供了宝贵的科学数据，还推动了行星表面巡视器自主导航技术的发展。

自主导航技术在行星表面巡视器中扮演着重要的角色，具有以下几个方面的作用和意义：

提高效率和灵活性：自主导航技术使行星表面巡视器能够独立地进行路径规划和导航，无需地面指令。这样，巡视器可以更加高效地移动，探测更多的目标点，为科学研究提供更多的数据。

增强安全性：自主导航技术能够帮助巡视器实时感知周围环境，并避免潜在的危险情况，例如避免撞击障碍物或跌入陷阱。这为巡视器的安全运行提供了保障。

扩大探测范围：由于行星表面巡视器可以独立进行导航，因此它们可以探测到远离地面指挥中心的区域，进一步拓展了探测范围和深度，提供了更加全面的数据。

避免通信延迟：行星探测任务面临着通信延迟的挑战，因为太空中的信号传输需要一定时间。自主导航技术的应用可以减少对地面指令和反馈的依赖，大大减少了通信延迟带来的影响。

推动科学研究进展：自主导航技术的发展为行星探测任务提供了更多的机会和可能性。它们能够更好地适应复杂的太空环境，收集更多的数据，推动科学研究在行星表面的深入探索。

国内外行星表面巡视器自主导航技术研究方法与原理

行星表面巡视器的自主导航技术是一项复杂而关键的技术，它使巡视器能够在陌生的行星表面独立地进行路径规划、避障和导航。

传感器技术在行星表面巡视器的自主导航中发挥着重要的作用。以下是几种常用的传感器技术：

图像识别：行星表面巡视器通常配备摄像头，可以获取周围环境的图像。通过图像处理和模式识别算法，可以识别出地形、障碍物、目标点等信息，从而辅助导航和避障。

遥感技术：行星探测任务中常常使用遥感数据来获取行星表面的地质和气候信息。行星表面巡视器可以搭载各种遥感仪器，如光谱仪、激光雷达等，通过分析遥感数据来识别地表特征，辅助导航和路径规划。

深度测距技术：巡视器常常需要准确测量与周围物体的距离，以判断是否存在障碍物。激光测距仪和超声波传感器等深度测距技术能够提供精确的距离信息，帮助巡视器进行避障和路径规划。

在行星表面巡视器的自主导航中，准确的定位和导航是至关重要的。以下是几种常用的定位与导航方法：

GPS：全球定位系统（GPS）是一种基于卫星定位的技术，可以提供精准的定位信息。虽然在行星表面探测中可能无法直接使用GPS，但类似的卫星定位系统可以被设计用于行星探测任务。

惯性导航：行星表面巡视器通常配备惯性导航系统，通过测量巡视器的加速度和角速度来推断其位置和方向。惯性导航可以提供相对较为准确的定位信息，但随着时间推移会产生累积误差。

星载导航：星载导航是利用天体的位置和运动来进行导航的方法。巡视器可以通过观测天体（如行星、恒星）的位置来确定自身的位置和方向，从而进行导航和定位。

行星表面环境复杂多变，因此行星表面巡视器需要具备强大的环境感知与响应能力。以下是几种常见的环境感知与响应技术：

障碍物检测：通过使用传感器技术获取周围环境的信息，巡视器可以检测到可能存在的障碍物。例如，利用图像识别和深度测距技术，巡视器可以识别地形中的悬崖、岩石等障碍物。

路径规划：基于获取的环境信息，巡视器可以使用路径规划算法来选择最佳的行驶路线。路径规划考虑了安全、效率和科学探测目标等因素，以确保巡视器能够有效地完成任务。

国内外行星表面巡视器自主导航技术研究进展

在国外，诸如NASA（美国国家航空航天局）、欧洲空间局等机构的行星探测项目中，自主导航技术一直是重点研究领域，这些项目取得了令人瞩目的研究成果。

以NASA为例，他们的行星探测器在自主导航方面取得了显著进展。例如，Curiosity火星车通过多种传感器技术实现了火星表面的自主导航。

它配备了先进的图像识别系统，能够识别地形特征和障碍物，并根据这些信息进行路径规划和避障。此外，Curiosity还采用了惯性导航和星载导航等定位方法，以确保其在火星表面的准确定位和导航。

在国外行星探测项目中，自主导航技术展示了许多技术亮点和创新。其中一项突出的亮点是利用机器学习和人工智能技术改进导航能力。通过对大量图像和传感器数据进行分析和训练，行星探测器可以实现更准确的环境感知和路径规划。

这种基于机器学习的自主导航技术使得巡视器能够快速适应不同行星表面的条件，提高导航的准确性和效率。

国外的行星探测项目还注重多传感器融合技术的研究和应用，结合图像识别、激光雷达和惯性导航等多种传感器数据，行星表面巡视器能够更全面地感知周围环境，并生成更精确的地图和定位信息。

在国内，中国科学院、中国航天科技集团等机构也致力于行星表面巡视器的自主导航技术研究。他们在这一领域取得了一系列研究成果。

中国科学院的某些行星探测项目开展了自主导航技术的研究工作。其中，一项重要成果是应用遥感数据和图像识别技术实现了行星表面的精确定位和导航。

利用高分辨率的遥感图像数据和先进的图像处理算法，巡视器能够准确地感知地表特征并创建详细的地图，从而实现自主的路径规划和导航。

在国内的行星探测项目中，一些技术亮点和创新值得关注，中国的自主导航技术研究注重对环境感知和响应能力的改进。

通过引入更多先进的传感器技术，如激光雷达、超声波传感器等，行星表面巡视器能够更精确地感知周围环境，并做出更及时的响应，以保证导航的安全性和稳定性。

其次，国内的行星探测项目还注重推动自主导航技术与其他科学研究领域的交叉应用。例如，将计算机视觉和机器学习技术与自主导航相结合，不仅可以提高巡视器的环境感知能力，还可以为其他科学问题的解决提供新的方法和思路。

国内外行星表面巡视器自主导航技术面临的挑战与解决方案

导语：随着科技的进步，行星探测任务逐渐成为人类探索宇宙的焦点之一，行星表面巡视器作为重要的行星探测工具，其自主导航技术的发展对于成功执行任务至关重要。

行星表面的地形和气候条件多种多样，对于导航算法和系统性能提出了较高的要求。例如，山脉、火山口、沙漠等特殊地貌会给自主导航带来困难，复杂的气候条件如极端温度、强风等也会影响导航精度。

多传感器融合：利用多种传感器（如图像传感器、激光雷达、惯性测量单元等）进行数据采集，并将其融合起来，提高环境感知能力，减小不确定性。

实时地图更新：通过利用先进的地图生成算法和高分辨率遥感数据，及时更新巡视器所在地区的地图，以便更好地适应地形和气候变化。

强化学习算法：利用强化学习方法，通过多次试错并根据反馈进行调整，使巡视器能够自主学习并适应不同环境的导航需求。

行星表面探测任务对导航系统的实时性和稳定性要求很高。导航算法需要能够在复杂环境下及时做出决策，并保持良好的稳定性，以确保巡视器能够安全、高效地进行自主导航。

快速决策算法：开发快速、高效的导航算法，能够在短时间内处理大量传感器数据，迅速做出导航决策。

可靠的传感器和控制系统：采用可靠的传感器和控制系统，提高系统的性能和稳定性，减少对异常情况的敏感度。

仿真与测试：在实际任务之前进行充分的仿真与测试，模拟各种场景和环境，及时发现问题并进行改进。

行星表面巡视器资源有限，包括能源、计算资源和存储空间等。如何有效管理和利用这些资源，以保证自主导航系统的正常运行，是一个关键问题。

能源优化：采用低功耗的传感器和处理器，并开发高效的能源管理算法，最大程度地延长行星表面巡视器的工作时间。

数据压缩与存储：通过数据压缩和存储技术，减小数据量并提高存储效率，节约存储空间。

系统集成与优化：将多个功能模块进行集成和优化，避免冗余计算，提高系统整体性能。

尾声

随着行星探测技术的不断进步，行星表面巡视器将会在未来的任务中扮演更为重要的角色。在自主导航技术方面，我们可以预见到以下几个发展趋势：

未来的巡视器将会采用更加高效的能源管理算法、更加先进的数据压缩和存储技术等。

同时，为了最大限度地利用有限的资源，未来的巡视器还将会采用更加智能化的系统集成和优化，避免使用冗余计算和资源，提升整体性能和效果。

行星表面巡视器自主导航技术将会在未来的发展中获得更大的突破，我们期待在不久的将来，看到越来越多的行星探测任务通过自主导航技术顺利完成，并向人类探索宇宙的新纪元迈进。

参考文献：

国内外行星表面巡视器自主导航技术研究 解杨敏; 季力; 魏祥泉; 陈萌; 邹怀武 上海航天(中英文) 2021

小行星表面探测器质量分布对其运动影响的参数化仿真研究 张永隆; 闫翛然; 李俊峰; 曾祥远 第十二届多体动力学与控制暨第七届航天动力学与控制和第十五届全国分析力学联合学术会议会议论文摘要集 2021

行星表面障碍检测与地形相关导航方法研究 李国庆 哈尔滨工业大学 2018