深空探測(cè)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)
量子慣性測(cè)量器件。在深空探測(cè)任務(wù)中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也是不可缺少的導(dǎo)航方式，尤其在變軌和著陸階段，慣性敏感器可用于測(cè)量探測(cè)器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和受外力產(chǎn)生的加速度，經(jīng)過(guò)導(dǎo)航解算之后可以提供探測(cè)器的速度、位置和姿態(tài)信息。傳統(tǒng)慣性測(cè)量器件受體積、精度等的限制，在深空空間輻照、電磁干擾條件下，精度更是難以保證。近幾年來(lái)，美英科學(xué)家提出了基于各種量子效應(yīng)和微加工技術(shù)的新型慣性導(dǎo)航技術(shù)，稱為量子導(dǎo)航。量子導(dǎo)航的關(guān)鍵器件主要包括原子陀螺儀和原子加速度計(jì)。
（1）原子陀螺儀。原子自旋陀螺是利用堿金屬原子自旋的拉莫爾進(jìn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)角速度的測(cè)量。原子陀螺儀可分為原子自旋陀螺和原子干涉陀螺兩類。原子干涉陀螺與光學(xué)中的Sagnac效應(yīng)類似，經(jīng)過(guò)激光深度冷卻以后，原子會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的相干性，物質(zhì)波屬性變得明顯，利用這種物質(zhì)波的干涉可以實(shí)現(xiàn)角速度的敏感測(cè)量。原子自旋陀螺有兩種實(shí)現(xiàn)方案：一種是利用雙核素法的核磁共振原子自旋陀螺，一種是工作在自旋交換無(wú)弛豫態(tài)下的原子自旋陀螺。
傳統(tǒng)的陀螺儀零偏漂移最好可以小于，而原子陀螺儀的理論精度可達(dá)，可以大大提高慣性測(cè)量的精度。目前國(guó)外已經(jīng)研制了樣機(jī)原子自旋陀螺，并正在發(fā)展低功耗、小型化的原子自旋陀螺，我國(guó)北京航空航天大學(xué)也在開(kāi)展原子自旋陀螺的研制工作。對(duì)于原子干涉陀螺而言，體積相對(duì)較龐大，穩(wěn)定性也有待提高，因此后續(xù)的工作主要集中在小型化和提高穩(wěn)定性等方面。
（2）原子加速度計(jì)。原子加速度計(jì)、重力儀或重力梯度儀也是利用冷原子干涉效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此其發(fā)展通常是伴隨冷原子干涉陀螺儀的發(fā)展始末。其零偏漂移可以小于，比傳統(tǒng)的加速度計(jì)低5個(gè)量級(jí)。利用高靈敏度的加速度計(jì)感應(yīng)作用在探測(cè)器上的非重力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)的建模或者補(bǔ)償。
目前高精度的原子加速度計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已經(jīng)成熟，但是如何從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)到實(shí)用的高精度加速度計(jì)測(cè)量設(shè)備、如何減少體積功耗以及成本、如何增強(qiáng)原子加速度計(jì)的穩(wěn)定性是未來(lái)研制的重要方向。
X射線探測(cè)器。X射線脈沖星自主導(dǎo)航是一種精度極高的自主導(dǎo)航方式，而X射線探測(cè)器是脈沖星自主導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。目前，研制中的X射線探測(cè)器主要分為三種，分別為氣體探測(cè)器、閃爍探測(cè)器以及半導(dǎo)體探測(cè)器。復(fù)雜的深空探測(cè)環(huán)境以及深空探測(cè)任務(wù)要求X探測(cè)器具有高能分辨率、高時(shí)間分辨率、大面積、重量輕、體積小、無(wú)需低溫制冷等特點(diǎn)。這就需要進(jìn)一步提高探測(cè)器單位面積的探測(cè)效率，研究大面積MCP探測(cè)器拼接技術(shù)，解決碘化銫的潮解問(wèn)題、縮短鍍膜的時(shí)間和裝配時(shí)間，提升探測(cè)器的信噪比等。
光學(xué)成像敏感器。深空探測(cè)自主導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)敏感部件的精度和靈敏度較高、體積小，因此對(duì)于光學(xué)敏感器的光學(xué)、結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、熱控和雜光消除等有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于這些關(guān)鍵性技術(shù)的改進(jìn)將會(huì)推動(dòng)深空光學(xué)敏感器研發(fā)工作。小型化和低成本是未來(lái)航天器發(fā)展的主要方向之一，因此微小型甚至紐扣式星敏感器必然會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)的探測(cè)器中。利用納米光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)微小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)將是未來(lái)突破現(xiàn)有星敏感器成像機(jī)制的關(guān)鍵研究技術(shù)。此外采用新的高性能微型圖像傳感器，也是微小型星敏感器研究的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。在探測(cè)器對(duì)姿態(tài)控制精度要求不斷提高的情況下，提高星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。采用多視場(chǎng)的光學(xué)敏感器感器設(shè)計(jì)方法，可以在不改變探測(cè)星等的情況下減小視場(chǎng)，保證星敏感器的姿態(tài)測(cè)量精度；提高星敏感器光電探測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性選用高靈敏度的探測(cè)器，減小電路噪聲以及在軌高動(dòng)態(tài)情況下雜散光對(duì)星敏感器的影響。
在深空探測(cè)器對(duì)姿態(tài)控制精度要求不斷提高，對(duì)于光學(xué)敏感器的體積、光學(xué)結(jié)構(gòu)、熱控系統(tǒng)等有著嚴(yán)格的要求。為了減小敏感器的體積，實(shí)現(xiàn)敏感器的微小型，研制高性能微型圖像傳感器、利用納米光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)微小型星敏感器光學(xué)系統(tǒng)將是突破現(xiàn)有星敏感器成像機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)；多視場(chǎng)光學(xué)敏感器感器可以在不改變探測(cè)星等的情況下減小視場(chǎng)，保證星敏感器的姿態(tài)測(cè)量精度，也是目前研究的一項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)。為了進(jìn)一步提高星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)性，如何減小電路噪聲、如何減小在軌高動(dòng)態(tài)情況下雜散光對(duì)敏感器的影響也是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
自主導(dǎo)航信息處理算法。導(dǎo)航信息的自主獲取與處理是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與控制的前提。為了提高自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，必須對(duì)獲取的各種傳感器信息進(jìn)行合理處理，從而提取高精度的導(dǎo)航信息。對(duì)于光學(xué)成像測(cè)量和圖像導(dǎo)航，圖像處理是是獲取高精度的導(dǎo)航天體信息的核心；而對(duì)導(dǎo)航信息的處理，多信息融合算法是提高導(dǎo)航精度的關(guān)鍵。
2
