月球大范圍探測巡視器及GNC技術(shù)發(fā)展綜述

王 平，于曉強(qiáng)，郭繼峰

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引 言

月球作為宇宙中距離地球最近的天體，因其具備極大的位置優(yōu)勢以及豐富的物質(zhì)資源，是人類進(jìn)行深空探測和太空探索的前哨站，也是邁向其他更遠(yuǎn)天體的試驗(yàn)場及中轉(zhuǎn)站。從人類深空探測歷史發(fā)展進(jìn)程來看，正是通過對月球的一步步探測行動(dòng)開啟了人類對宇宙深空探索的篇章，也逐漸掌握并驗(yàn)證了地外天體環(huán)繞、巡視、采樣返回等深空探測技術(shù)，月球的科學(xué)探測對深空探測、航天技術(shù)等一系列科學(xué)領(lǐng)域具有非常深遠(yuǎn)的意義。2020年隨著嫦娥五號(hào)成功完成月球采樣返回任務(wù)，中國六戰(zhàn)六捷的月球探測任務(wù)取得了舉世矚目的成就，在國際月球探測技術(shù)中處于領(lǐng)先地位，這不僅是科學(xué)技術(shù)水平及綜合國力的有力證明，還對提高國際地位和影響力有重要意義。隨著對月球的逐漸了解，月球資源的開發(fā)利用、月球基地的建立以及通過月球走向深空將是世界各航天大國未來主要的月球探測目標(biāo)，各國也都對此制定了目標(biāo)宏偉的月球探測計(jì)劃。

在各國的探月計(jì)劃中，月面巡視器作為月球探測任務(wù)的執(zhí)行體和重要組成部分，是各國主要研究的對象，未來的月球巡視器會(huì)成為兼具全地形穿越、資源探索及利用、載人探測、大范圍轉(zhuǎn)移等能力于一身的多功能綜合巡視器。而月球探測區(qū)域也會(huì)從著陸點(diǎn)附近的小范圍探測向大范圍多點(diǎn)協(xié)同探測發(fā)展，巡視器的運(yùn)動(dòng)方式也從遙控式、指令式逐漸向自主化、智能化轉(zhuǎn)變。大范圍自主移動(dòng)探測能力是月面巡視器未來實(shí)現(xiàn)月面巡視探測的基礎(chǔ)能力，也是實(shí)現(xiàn)月面極地區(qū)域資源探測，月球表面廣域采樣返回以及月球基地建設(shè)等任務(wù)的關(guān)鍵能力，具有很高的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

基于上述分析，本文針對月面大范圍探測問題進(jìn)行整理和總結(jié)，首先分析、介紹了月面大范圍巡視探測需求及發(fā)展現(xiàn)狀，然后調(diào)研總結(jié)了大范圍探測GNC技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)，最后提出了月面道路拓?fù)渚W(wǎng)的建設(shè)構(gòu)想，旨在為未來月球探測任務(wù)的發(fā)展建設(shè)思路提供參考。

1 月球大范圍巡視探測需求及發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 月球大范圍巡視探測需求分析

隨著月球巡視探測任務(wù)從簡單的巡視探測向更復(fù)雜的資源開發(fā)利用和月球基地建設(shè)推進(jìn)，對于月球巡視器的能力需要也從局部小范圍的探測向大范圍探測轉(zhuǎn)變，本節(jié)從各國的月球探測任務(wù)需求入手，分析未來月球大范圍巡視探測需求，闡述研究月球大范圍探測的重要意義和價(jià)值。

1)月球基地建設(shè)需要

近年來，各航天大國重新認(rèn)識(shí)到月球探測的重要意義，紛紛制定了各具特色的月球探測計(jì)劃，掀起了新一輪探月熱潮。美國公布了“阿爾忒彌斯”(Artemis)計(jì)劃,作為“阿波羅”的孿生姐妹，短期目標(biāo)是在2024年實(shí)現(xiàn)載人登月，長期愿景是在月球表面建立月球基地，提出要在月球南極建立一個(gè)稱為“阿爾忒彌斯大本營”的持續(xù)戰(zhàn)略存在，讓未來幾代人加以利用，是美國國家航空航天局(NASA)未來十年太空探索和載人航天計(jì)劃的核心。歐洲航天局(ESA)、俄羅斯、日本、印度等國家和組織也宣布近期將開展月球探測任務(wù)，并把在月面建立月球基地、開展長期月球探測作為遠(yuǎn)期目標(biāo)，月球基地建設(shè)正成為各國太空戰(zhàn)略新的聚焦點(diǎn)。

作為月球基地建設(shè)的主要執(zhí)行者和重要組成部分，可以長期運(yùn)行并具備大范圍探測能力的月面巡視器是月球基地建設(shè)的必需環(huán)節(jié)之一。月球基地的建設(shè)需要巡視器在月面進(jìn)行基地選址可行性的勘察，確認(rèn)選址區(qū)域滿足月球基地的著陸場、建設(shè)場、探測設(shè)施、通信設(shè)施、能源設(shè)施等不同設(shè)施的建設(shè)需要，同時(shí)還需要完成建設(shè)設(shè)備運(yùn)輸、部署安裝等月面施工任務(wù)。而巡視器的移動(dòng)能力是完成上述任務(wù)的基礎(chǔ)，全地形、大范圍移動(dòng)能力是巡視器更好地完成月面基地建設(shè)的必要保證。

2)月球資源探測需要

在基于當(dāng)前的月球探測結(jié)果對月球形貌、構(gòu)造和成分等形成一般性認(rèn)識(shí)后，各國提出的巡視器探測任務(wù)和目標(biāo)開始聚焦于月球資源的原位探測與利用，尤其是針對極地水冰資源的探測。月壤中的水成分不僅可以為月球自身形成和演化過程提供重要演化記錄，對檢驗(yàn)和完善月球起源的大撞擊假說有重要價(jià)值，還可以為太陽系物質(zhì)演化提供關(guān)鍵信息。另外，對于深空探測來說，水資源不僅是維持生命的必需品,還可以分解為現(xiàn)代火箭推進(jìn)所需的燃料(H和O)，對未來月球基地建設(shè)計(jì)劃與資源利用有重要價(jià)值。

對于月球資源的探測，雖然月球軌道飛行器可提供有關(guān)月球表面及其潛在資源的廣泛信息，但巡視器在月球表面的巡視勘探對于驗(yàn)證這些觀測結(jié)果，同時(shí)為利用月球上的揮發(fā)物及礦物等豐富資源提供技術(shù)驗(yàn)證更是至關(guān)重要。而具備大范圍探測能力的巡視器可用來進(jìn)行更廣泛的月面探索，通過攜帶的各種儀器實(shí)現(xiàn)沿途不同地質(zhì)及資源數(shù)據(jù)的收集記錄，可為月球不同區(qū)域的地質(zhì)演變及資源分布變化的探測及分析提供直接證據(jù)，為月球及其資源情況提供更為全面的視角。

3)月球長期探索開發(fā)需要

2020年4月，NASA發(fā)布了《NASA月球持續(xù)探索和發(fā)展計(jì)劃》報(bào)告，概括描繪了圍繞“阿爾忒彌斯”計(jì)劃展開的探月思路，其中，提出了“可居住移動(dòng)平臺(tái)(Habitable mobility platform，HBV)”的建設(shè)構(gòu)想，作為“阿爾忒彌斯大本營”建設(shè)的三個(gè)主要任務(wù)之一。HBV的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大范圍載人/自主移動(dòng)探測，使月球的長期探索和開發(fā)成為可能。通過將具備大范圍探測能力的巡視器部署至月球表面，可使航天員一次能夠在月球表面生活數(shù)月，也可將探測半徑擴(kuò)大數(shù)百甚至數(shù)千公里，還能在月球表面執(zhí)行模擬火星任務(wù)，為更大范圍的行星探測提供技術(shù)支撐及驗(yàn)證。同時(shí)，具備大范圍自主轉(zhuǎn)移能力的巡視器還可實(shí)現(xiàn)在不同月球著陸點(diǎn)或月球基地間的轉(zhuǎn)移行動(dòng)，通過在兩次任務(wù)窗口內(nèi)自主轉(zhuǎn)移至下一登月任務(wù)著陸點(diǎn)，可極大提高月球探測效率，減少月球任務(wù)及發(fā)射成本，實(shí)現(xiàn)更加完備高效的月球探測。

1.2 月球巡視器發(fā)展現(xiàn)狀分析

在阿波羅任務(wù)期間，航天員駕駛的巡視器曾幫助航天員完成多次月面巡視探測任務(wù)，證明了巡視器在月面探測任務(wù)中的重要價(jià)值，月球巡視器能力直接關(guān)乎月球表面開展大范圍探測、運(yùn)輸、建設(shè)任務(wù)的成敗。本節(jié)針對目前各國主要的巡視器系統(tǒng)及未來發(fā)展計(jì)劃進(jìn)行總結(jié)闡述，圖1總結(jié)了各國主要月球巡視器的探測距離，包括已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)月球巡視探測任務(wù)的巡視器和提出的未來研究計(jì)劃。由圖1可以看出各國未來的巡視器發(fā)展計(jì)劃都將大范圍移動(dòng)探測能力作為月球探測的關(guān)鍵基礎(chǔ)能力之一，下面將對主要的月球巡視器發(fā)展計(jì)劃進(jìn)行簡要介紹。

圖1 各國主要月球巡視器巡視距離Fig.1 Roving distance of major lunar rovers

1)太空探索巡視器(SEV)

NASA于2012年提出新一代太空探索巡視器(Space exploration vehicle，SEV)的概念，其借鑒阿波羅任務(wù)期間的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并結(jié)合火星探測器的經(jīng)驗(yàn)，將幫助未來的探測機(jī)器人和航天員進(jìn)行全新方式的太空探索、長期太空生存以及大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)。SEV是一種模塊化概念巡視器，可以根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同而靈活設(shè)計(jì)。核心由一個(gè)加壓客艙組成，該客艙可以與輪式底盤配對以形成用于行星表面探索的巡視器，也可以在太空中執(zhí)行往返任務(wù)，例如服務(wù)衛(wèi)星和小行星任務(wù)。

地面巡視型SEV是將客艙安裝在輪式底盤上，底盤可360°旋轉(zhuǎn)，每小時(shí)可向任何方向行駛約10 km，并具備最大坡度40°的爬坡能力。其車輪可以側(cè)向移動(dòng)，允許車輛在轉(zhuǎn)彎半徑為零的情況下以任何方式向前和側(cè)向行駛，可支持在崎嶇地形上行駛。巡視型SEV的設(shè)計(jì)理念是極少需要或根本不需要維護(hù)，在其十年的使用壽命中，能夠在行星表面行駛數(shù)千公里。該車架借鑒了越野賽車架的相關(guān)開發(fā)技術(shù)，并已在美國西南沙漠中進(jìn)行過實(shí)地測試，并在粗糙的熔巖上行駛了140 km。

同時(shí)，與不加壓的阿波羅月球車不同的是，SEV可以讓航天員在不受航天服限制的情況下進(jìn)行長途旅行。加壓客艙帶有一個(gè)行李箱，可以讓航天員更快地穿上航天服，更快地出艙，以及進(jìn)行多次短距離太空行走。

圖2 太空探索巡視器[15]Fig.2 Space Exploration Vehicle[15]

目前SEV的開發(fā)仍在繼續(xù)，生產(chǎn)了稱為“多任務(wù)太空探索飛行器”(MMSEV)的變體，并在2013年為可能的月球著陸器提供了增強(qiáng)型MMSEV(AMMSEV)的機(jī)艙，NASA計(jì)劃將其與“先進(jìn)探索系統(tǒng)計(jì)劃”下的其他項(xiàng)目一起開發(fā)。

表1 SEV基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of SEV

2)全地形六角形外星探測者(ATHLETE)

全地形六角形外星探測者(ATHLETE)是由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)提出的全地形探測巡視器。ATHLETE巡視器具有六個(gè)6自由度(DoF)足式肢體，每個(gè)肢體均附有1自由度車輪。ATHLETE使用其車輪在穩(wěn)定、平緩的地形上高效行駛，但每個(gè)足式肢體也可用作通用腿。在后一種情況下，車輪可以鎖定并用作腳，以走出過于柔軟、充滿障礙物、陡峭或其他極端地形。ATHLETE被設(shè)想為一種重型多用途車輛，可支持人類對月球表面的探索，以及從固定著陸器上卸下大件貨物并進(jìn)行長距離運(yùn)輸。

為證明這一概念，JPL已經(jīng)開發(fā)出幾種原型車用于測試。第一代ATHLETE原型機(jī)寬2.75 m，最大站立高度剛剛超過2 m，質(zhì)量約為850 kg，在地球重力下的最大有效載荷承載能力為300 kg。2005年建造了兩個(gè)相同的原型，其中一個(gè)仍在運(yùn)行。

圖3 全地形六角形外星探測者[17]Fig.3 ATHLETE[17]

第二代ATHLETE原型于2009年構(gòu)建，并由兩個(gè)完全獨(dú)立的三足機(jī)器人Tri-ATHLETE的協(xié)調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這套系統(tǒng)提供了一種簡單明了的貨物處理策略：兩個(gè)Tri-ATHLETE?？吭谪浳锏膬蓚?cè)，相對形成一個(gè)六臂對稱車輛，共同移動(dòng)和放置貨物。這種策略集成了六足機(jī)器人概念的所有優(yōu)點(diǎn)，并具有靈活性和模塊化的額外優(yōu)勢。第二代原型機(jī)器人的最大高度約4 m，在地球重力下的有效負(fù)載能力為450 kg。該巡視器系統(tǒng)未來將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

(1)通過緊湊型存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)在月球著陸器上進(jìn)行自我部署；

(2)通過在足式肢體末端裝備不同的有效載荷及其基于足/輪式多種運(yùn)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)在安全的姿態(tài)角度下穿越幾乎所有地形，包括垂直的巖面或沙質(zhì)斜坡；

(3)即使在最崎嶇和最陡峭的地形上，也能實(shí)現(xiàn)可靠的自主移動(dòng)通行；

(4)具備“語音和手勢”命令模式，以實(shí)現(xiàn)航天員與巡視器的高層面互動(dòng)。

ATHLETE六個(gè)6自由度的足式結(jié)構(gòu)相比其他巡視器系統(tǒng)提供了更多的功能，它可爬升的坡度在硬表面(巖石)上可達(dá)35°，在軟表面(例如在月球上發(fā)現(xiàn)的月壤的軟沉積)上可達(dá)25°。JPL計(jì)劃要開發(fā)該系統(tǒng)在較崎嶇的地形上行駛的能力，并將ATHLETE的速度提高到10 km/h，比“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”等現(xiàn)存巡視器快100倍。ATHLETE的目的是支持月面探測作業(yè)，一種假設(shè)的任務(wù)場景是由ATHLETE充當(dāng)可移動(dòng)的有人駕駛“月球基地”，能夠穿越數(shù)千公里并可以隨時(shí)停下研究探測沿途重點(diǎn)區(qū)域。

表2 ATHLETE基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of ATHLETE

3)機(jī)械結(jié)構(gòu)及能力人為增強(qiáng)型月球科學(xué)探測器(HERACLES)

機(jī)械結(jié)構(gòu)及能力人為增強(qiáng)型月球科學(xué)探測器(HERACLES)是ESA、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)和加拿大航天局(CSA)合作研發(fā)的機(jī)器人運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)將配備一臺(tái)名為“歐洲大型后勤著陸器”(European large logistic lander，EL3)的著陸器、一個(gè)月面上升模塊(Lunar ascent element，LAE)和一臺(tái)巡視器。該系統(tǒng)計(jì)劃支持“阿爾忒彌斯”計(jì)劃，并利用月球“門戶”(Gateway)空間站作為登月點(diǎn)進(jìn)行月球探測。

EL3著陸器的著陸質(zhì)量約為1800 kg，并且能夠運(yùn)輸HERACLES機(jī)器人巡視器，以探索、勘探潛在資源，并將高達(dá)15 kg的樣本裝載到上升模塊上。巡視器計(jì)劃將在月球的薛定諤盆地中穿越數(shù)千米，探索并收集更多樣本，裝載到下一個(gè)EL3著陸器上。上升模塊每次都會(huì)返回Gateway空間站，由加拿大機(jī)械臂捕獲，并將樣品轉(zhuǎn)移到“獵戶座”飛船上，與返回的航天員一起運(yùn)送到地球，然后將為上升模塊加油，并與從地球派出的新下降模塊配對。第二次和第三次著陸任務(wù)的有效載荷分別為500 kg，可用于其他用途，如測試新硬件、演示技術(shù)和獲得操作經(jīng)驗(yàn)。第四次或第五次登陸任務(wù)將進(jìn)行采樣返回。

由加拿大航天局開發(fā)的HERACLES巡視器質(zhì)量為330 kg，并將配備放射性同位素發(fā)電系統(tǒng)提供動(dòng)力，該系統(tǒng)將使巡視器行駛100 km以上，允許在漫長寒冷的月夜中運(yùn)行。巡視器大部分時(shí)間將通過地球上的技術(shù)人員操控，在特殊環(huán)境中將由Gateway空間站上的航天員操控。目前的計(jì)劃為：HERACLES巡視器將在著陸后立即收集應(yīng)急樣本，然后它將沿大約35 km長的沿線從大約10個(gè)單獨(dú)的采樣站采集樣本，并將其帶回到LAE上升模塊。巡視器將配備一套科學(xué)儀器(預(yù)計(jì)組合有效載荷質(zhì)量為90 kg)，這將使其能夠全面研究采樣位置和樣本背景，以及橫貫沿線的地質(zhì)情況。在樣品被放入LAE后，將開始進(jìn)行表面移動(dòng)性演示階段，在此期間，巡視器將進(jìn)行大于100 km的月球表面移動(dòng)探測，巡視器機(jī)載儀器在移動(dòng)時(shí)不斷收集數(shù)據(jù)，為月球地質(zhì)探測提供全新的視角，如探測區(qū)域的各種地形的風(fēng)化層結(jié)構(gòu)。

圖4 機(jī)械結(jié)構(gòu)及能力人為增強(qiáng)型月球科學(xué)探測器Fig.4 HERACLES

HERACLES的主要目標(biāo)包括：

(1)通過實(shí)施、演示和驗(yàn)證載人登月、表面操作和返回的技術(shù)要素，為載人登月任務(wù)做好準(zhǔn)備；

(2)為科學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造機(jī)會(huì)，特別是月球采樣返回；

(3)獲得科學(xué)和探索知識(shí)，尤其是有關(guān)月球潛在資源的知識(shí)；

表3 HERACLES基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of HERACLES

(4)為未來的火星任務(wù)創(chuàng)造機(jī)會(huì)來演示驗(yàn)證和測試技術(shù)和操作程序。

4)月球巡洋艦(Lunar Cruiser)

JAXA和豐田汽車公司(Toyota)于2019年6月簽署了一項(xiàng)聯(lián)合研究協(xié)議，擬對載人加壓月球車進(jìn)行研究，該月球車擬采用氫動(dòng)力燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)，支持即使有少量的可用能源下的長期運(yùn)行，其月球巡航距離將超過10000 km，以幫助人類進(jìn)行更大范圍的月球表面探測。該月球車將用于探索月球的極地地區(qū)，目的是調(diào)查利用月球資源(例如水冰)的可能性，以及獲取能夠探索巨大天體表面的技術(shù)。

JAXA和豐田公司在研究計(jì)劃中指出，載人加壓月球車通常由2名航天員乘坐，但在緊急情況下最多可容納4人。如果當(dāng)前的概念設(shè)計(jì)正確，那么該月球車將非常龐大，至少長6 m，寬5.2 m，高3.8 m，有6個(gè)車輪，擁有約13 m的居住空間。同時(shí)該月球車具備“空間機(jī)動(dòng)性”概念，滿足月面巡視所面臨的諸多挑戰(zhàn)，如月球表面充滿隕石坑、懸崖和山丘的復(fù)雜地形，月球表面嚴(yán)酷的輻射和溫度條件以及超高真空的空間環(huán)境。此外，該加壓月球車也是對豐田氫能技術(shù)的一次出色測試，豐田公司計(jì)劃使用清潔發(fā)電方法的燃料電池，可以通過僅排放水而產(chǎn)生具有高能量密度的大量能量，使其特別適合為月面巡視器提供動(dòng)力。豐田長期以來一直在計(jì)劃研發(fā)可持續(xù)發(fā)展的機(jī)動(dòng)技術(shù)，涉及電動(dòng)汽車和燃料電池汽車的混合，由于它們能夠排放比吸入的空氣更少的有害物質(zhì)(例如顆粒物)，這種所謂的“負(fù)排放”特征是該計(jì)劃渴望進(jìn)一步改進(jìn)的一個(gè)特征，因此具有更大的潛力。

圖5 月球巡洋艦Fig.5 Lunar Cruiser

JAXA和豐田汽車于2020年8月宣布將聯(lián)合研究的載人加壓月球車命名為“月球巡洋艦”(Lunar Cruiser)，與豐田汽車著名的四輪驅(qū)動(dòng)SUV“陸地巡洋艦”(Land Cruiser)命名方式一致，以代表其對加壓月球車的質(zhì)量、耐用性和可靠性的預(yù)期。原計(jì)劃在2020財(cái)年制造測試零件及Lunar Cruiser巡視器原型，包括使用模擬仿真來確定行駛時(shí)的動(dòng)力和散熱性能，制造和評估原型輪胎，以及使用虛擬現(xiàn)實(shí)和全尺寸模型來考慮月球巡洋艦機(jī)艙中設(shè)備的布局。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，豐田和JAXA計(jì)劃2024年左右構(gòu)建并測試工程樣機(jī)，2027年左右構(gòu)建并測試飛行樣機(jī)，2029年發(fā)射。

表4 月球巡洋艦基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of the Lunar Cruiser

2 月球大范圍探測GNC技術(shù)現(xiàn)狀分析

隨著無人系統(tǒng)智能化技術(shù)的逐步發(fā)展，月面巡視器的運(yùn)動(dòng)方式也從遙控式逐漸向自主化、智能化轉(zhuǎn)變，具備自主探測能力可極大提高巡視器的探測效率。表6介紹了目前已成功運(yùn)行的巡視器運(yùn)動(dòng)方式及相關(guān)參數(shù)，可以看出早期巡視器一般通過地球遙控或有人駕駛的方式運(yùn)行，相機(jī)和激光測距設(shè)備只用來科學(xué)探測，不參與系統(tǒng)導(dǎo)航。而玉兔號(hào)巡視器首次實(shí)現(xiàn)了中國在月球表面的自主巡視探測，并獲取了大量科學(xué)探測數(shù)據(jù)。對于巡視器的自主探測系統(tǒng)，巡視器的GNC技術(shù)承擔(dān)著月面巡視器導(dǎo)航定位、月面地形重構(gòu)、巡視器路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等功能，是巡視器系統(tǒng)的“指控大腦”，是巡視器實(shí)現(xiàn)月面自主移動(dòng)探測任務(wù)的重要環(huán)節(jié)之一。本章針對月球大范圍探測GNC技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和闡述，并對大范圍探測的難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析。

2.1 大范圍探測GNC技術(shù)現(xiàn)狀

1)導(dǎo)航定位技術(shù)

月球巡視器在月面非結(jié)構(gòu)化、低紋理環(huán)境開展巡視與探測的過程中，必須具備精確導(dǎo)航與定位能力，以保證能夠抵達(dá)預(yù)定目標(biāo)，完成科學(xué)探測任務(wù)。月面巡視器的導(dǎo)航定位通常分為絕對定位與相對定位。絕對定位是確定巡視器在月球坐標(biāo)系中的絕對位置，常用的絕對定位方法包括天文導(dǎo)航、影像圖匹配導(dǎo)航等。天文導(dǎo)航方法由于測量精度不足且具有局部不可見性，無法實(shí)時(shí)獲得足夠準(zhǔn)確絕對航向和位置信息。而影像圖匹配方法通過將高分辨率軌道傳感器掃描圖像與巡視器在線創(chuàng)建的局部地圖相匹配，可以獲得較為精確的定位信息。

表5 已成功運(yùn)行的巡視器運(yùn)動(dòng)方式及參數(shù)Table 5 Motion modes and parameters of the successfully operated lunar rovers

相對定位是利用巡視器自身傳感器測量信息,獲取相對于起始位置的相對位置，可以在一段時(shí)間內(nèi)獲得較高的定位和航向精度。常用的相對定位方法包括慣性導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航是一種典型的相對定位技術(shù)，利用加速度計(jì)和陀螺儀跟蹤目標(biāo)相對于已知起點(diǎn)的位置和方向，但容易出現(xiàn)累積誤差，且誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸增大。近年來，隨著圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，基于機(jī)器視覺的月球車導(dǎo)航技術(shù)成為主要的導(dǎo)航方式，視覺導(dǎo)航可以通過感知外界環(huán)境和跟蹤視覺線索(如相鄰幀圖像中的物體或地標(biāo))來實(shí)現(xiàn)自主定位。

針對大范圍移動(dòng)探測的精確導(dǎo)航定位技術(shù)，逐漸成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。超長距離穿越自主決策項(xiàng)目(ADE)是ESA“歐洲空間開發(fā)和機(jī)器人活動(dòng)路線圖”(PERASPERA)項(xiàng)目戰(zhàn)略研究集群框架內(nèi)的五個(gè)空間機(jī)器人研究項(xiàng)目之一，目標(biāo)是在行星模擬環(huán)境中演示一種高度自主的行星車系統(tǒng)，能夠在探測潛在受關(guān)注科學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，以高可靠性實(shí)現(xiàn)長距離穿越。其中，“行星車導(dǎo)航”(Rover guidance，RG)系統(tǒng)負(fù)責(zé)長期的車載自主導(dǎo)航。RG實(shí)現(xiàn)了一種新的導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)，具備動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的多模式自主導(dǎo)航方案和一個(gè)危險(xiǎn)預(yù)防模塊來保障安全性。RG利用預(yù)處理的軌道數(shù)據(jù)以及局部感知的數(shù)字高程圖來實(shí)現(xiàn)最大化行駛距離的自主導(dǎo)航，軌道數(shù)據(jù)被分割成多模式導(dǎo)航和長期路徑規(guī)劃器使用的不同等級(jí)。此外，該體系結(jié)構(gòu)還提供了將不同來源的導(dǎo)航算法組合在一起的機(jī)會(huì)，以便在任務(wù)的特定時(shí)期無縫地使用最合適的算法。雖然該項(xiàng)目仍在進(jìn)行中，但已有的研究結(jié)果可實(shí)現(xiàn)在火星表面環(huán)境中安全穿越1 km的能力。

ESA StarTiger計(jì)劃中包括名為“Seeker”的自主遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)，旨在開發(fā)火星探測器原型系統(tǒng)，能夠在三天內(nèi)自主探索數(shù)公里具有高度代表性的行星地形。Seeker系統(tǒng)采用離散化粒子濾波算法將行星車自主形成的局部DEM圖拼接，并與軌道器拍攝的全局DEM圖進(jìn)行匹配實(shí)現(xiàn)全局定位。同時(shí)，該系統(tǒng)開發(fā)了DROID運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換算法以及OVO視覺導(dǎo)航算法實(shí)現(xiàn)了視覺里程計(jì)相對定位。該系統(tǒng)已進(jìn)行了地面試驗(yàn)，一天內(nèi)在具有高度行星代表性的地形上自主運(yùn)行了5.05 km，為未來火星/月球巡視器提供更強(qiáng)大的自主探測能力。

文獻(xiàn)[29]提出了一種行星探測器的GNC體系結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)快速和長距離的移動(dòng)探測。該方案提出了一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)，包括有效導(dǎo)航(低級(jí))和全自主導(dǎo)航(高級(jí))。有效導(dǎo)航模式可以在允許的地形中加快移動(dòng)速度，而全自主導(dǎo)航模式可以減少長距離的定位漂移。導(dǎo)航模式的選擇可以根據(jù)探測速度需求和地形困難程度動(dòng)態(tài)選擇，該體系結(jié)構(gòu)為遠(yuǎn)程、低監(jiān)督和快速的行星探測提供了解決方案，這兩種導(dǎo)航水平都已在行星模擬實(shí)地測試活動(dòng)中得到驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[30]提出了一種多幀里程補(bǔ)償全局對準(zhǔn)算法(MOGA)來解決月球車大范圍運(yùn)動(dòng)的定位問題。該算法通過將從三維軌道高程圖檢測到的地形特征與基于月球車的3D激光雷達(dá)掃描的地形特征相匹配，來進(jìn)行月球車的全局定位，然后基于視覺里程計(jì)和傾角計(jì)/太陽傳感器的方位測量信息，使用多幀最小二乘對齊技術(shù)利用特征位置、方向和里程計(jì)測量來細(xì)化位姿估計(jì)，提高了MOGA定位的精度和效率。最后進(jìn)行了超過10 km的地面穿越試驗(yàn)，結(jié)果表明MOGA的定位估計(jì)值明顯優(yōu)于視覺里程測量法的估計(jì)值，可以實(shí)現(xiàn)對月球車的高精度遠(yuǎn)程自主定位。

2)月面地形重構(gòu)技術(shù)

月面地形重構(gòu)技術(shù)是巡視器在月面進(jìn)行科學(xué)探測和安全移動(dòng)的必需技術(shù)，通過對巡視器所在周圍月球表面復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行有效的感知和信息融合，完成月面圖像處理、特征點(diǎn)匹配、三維關(guān)系解算、高程地形生成與三維場景重構(gòu)等一系列操作，實(shí)現(xiàn)月面地形的重構(gòu)與認(rèn)知，為后續(xù)巡視器路徑規(guī)劃、月面地形的精確建模等提供數(shù)據(jù)支撐。三維立體重構(gòu)是計(jì)算機(jī)視覺中的一個(gè)基本問題，盡管已經(jīng)進(jìn)行了幾十年的深入研究，但仍是活躍的研究領(lǐng)域，目前已經(jīng)有很多成果可以實(shí)現(xiàn)地面或行星環(huán)境的小規(guī)模立體重建。同時(shí)，另一個(gè)主流做法將地形重構(gòu)與定位同時(shí)研究，即同步定位與建圖技術(shù)(SLAM)，該技術(shù)以增量的方式構(gòu)建周圍環(huán)境地圖，并利用該地圖來估計(jì)機(jī)器人自身的姿態(tài)。隨著近年來圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，視覺SLAM技術(shù)逐漸成為月球車定位與地形重構(gòu)的首選。

由于月球光線變化較大、月面典型的非結(jié)構(gòu)化及缺少紋理的地形環(huán)境以及月球車運(yùn)動(dòng)影響等因素影響，月面的地形重構(gòu)需要密集的特征點(diǎn)提取與匹配才能保證地形重構(gòu)精度，目前許多學(xué)者對上述問題進(jìn)行了研究，典型算法包括：基于BA(Bundle adjustment)的實(shí)時(shí)SLAM算法，即并行跟蹤與建圖(PTAM)算法；使用直接方法構(gòu)造大范圍半稠密映射方法，即LSD-SLAM、RGB-D SLAM和ORB-SLAM等，這些方法都可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的高精度實(shí)時(shí)定位與建圖。

針對月面大范圍地形重構(gòu)技術(shù)，由于月面復(fù)雜的地形環(huán)境及月球車有限的計(jì)算資源和傳感器能力，實(shí)現(xiàn)高精度的大范圍月面地形重構(gòu)具有很高的挑戰(zhàn)性，目前的研究及應(yīng)用還在初步摸索階段。節(jié)省用于自主導(dǎo)航的機(jī)器人技術(shù)(SPARTAN)項(xiàng)目是由ESA開發(fā)的機(jī)器人探測技術(shù)開發(fā)活動(dòng),目標(biāo)是開發(fā)適合火星/月球探測器使用的高效、低成本和精確的視覺導(dǎo)航算法。該項(xiàng)目采用了平面掃描局部立體算法，可以對任意相機(jī)配置執(zhí)行多圖像立體匹配，并且通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)定制設(shè)計(jì)了行星車探測專用硬件系統(tǒng)，可以在計(jì)算功率要求、內(nèi)存占用、通信需求、能源使用和速度方面提供更高效的導(dǎo)航系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以從三維重建精度、視覺里程計(jì)精度以及執(zhí)行速度等方面滿足ESA設(shè)定的大范圍移動(dòng)探測導(dǎo)航系統(tǒng)指標(biāo)要求。

文獻(xiàn)[36]提出了一種距離相關(guān)地形重構(gòu)與路徑規(guī)劃技術(shù)，利用激光雷達(dá)提供的地形特征點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成數(shù)字高程圖，并提出了一種扇形參考網(wǎng)格進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法，得到了柱面坐標(biāo)下的高程圖(C2DEM)，這種轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)了距離相關(guān)的多分辨率地形重構(gòu)：靠近月球車的詳細(xì)地形表示和遠(yuǎn)離月球車的稀疏表示，可以更好、更高效率地反映點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征。然后實(shí)現(xiàn)了依靠C2DEM圖的多代價(jià)路徑規(guī)劃，最后進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)移試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

文獻(xiàn)[37]提出了一種用于行星探測的模塊化、單目SLAM系統(tǒng)(PM-SLAM)，該系統(tǒng)結(jié)合了生物學(xué)啟發(fā)的視覺顯著性模型(即語義特征檢測)進(jìn)行視覺感知，以提高在具有挑戰(zhàn)性的行星探測環(huán)境中的魯棒性,并引入了一種新型混合顯著特征的生成方法，使用基于點(diǎn)的描述符來跟蹤視覺顯著性模型的結(jié)果，跟蹤的特征用于通過SLAM濾波器進(jìn)行的行星車和地圖狀態(tài)估計(jì)，從而形成適用于大范圍移動(dòng)的月球車自主導(dǎo)航系統(tǒng)，并克服了行星探測器固有的硬件限制。通過地面試驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有比ESA開發(fā)的Seeker自主導(dǎo)航系統(tǒng)更好的性能表現(xiàn)。

3)巡視器路徑規(guī)劃技術(shù)

路徑規(guī)劃技術(shù)作為月面巡視機(jī)器人躲避危險(xiǎn)區(qū)域、實(shí)現(xiàn)月面巡視和安全到達(dá)目標(biāo)位置等自主探測過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，其規(guī)劃結(jié)果直接影響了巡視器任務(wù)執(zhí)行的效率與安全性。巡視器路徑規(guī)劃包括全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃是根據(jù)軌道衛(wèi)星拍攝形成的月球表面地形圖規(guī)劃一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑，該路徑需要滿足設(shè)定的全局最優(yōu)性指標(biāo)(如路徑最短、能量最省等)，且全局規(guī)劃方法尋找最優(yōu)解的計(jì)算復(fù)雜度很高，所以通常根據(jù)月面地形高程圖離線執(zhí)行。局部路徑規(guī)劃是根據(jù)巡視器車載傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知周圍月面環(huán)境，對所經(jīng)區(qū)域進(jìn)行地形重構(gòu)及可通過性分析，然后規(guī)劃出滿足月球車動(dòng)力學(xué)約束的安全避障軌跡。

全局路徑規(guī)劃算法主要包括啟發(fā)式算法(如遺傳算法、蟻群算法等)、基于采樣的算法(如RRT算法、PRM算法等)以及基于圖搜索的精確式算法(如Dijkstra、A*等)。全局路徑規(guī)劃算法需要考慮月面地形條件(坡度坡向、粗糙度、階梯值)、光照條件、通信條件以及巡視器本體約束條件等因素的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)的最優(yōu)代價(jià)策略生成指定區(qū)域指定分辨率的全局路徑。針對月面大范圍路徑規(guī)劃技術(shù)，目前的研究大多集中在對月面復(fù)雜環(huán)境約束的精確建模、考慮月球車車載計(jì)算機(jī)性能對大范圍路徑的輕量化處理以及如何加快大規(guī)模地圖的路徑搜索速度等。NASA提出的“阿塔卡馬生命”(LITA)項(xiàng)目旨在開發(fā)高度自主的機(jī)器人科學(xué)和類行星環(huán)境中的大范圍穿越技術(shù)，該項(xiàng)目提出了任務(wù)級(jí)路徑規(guī)劃概念，綜合考慮了大規(guī)模的路徑選擇、路徑和探測操作的時(shí)間約束以及預(yù)測性能量管理，比以往的導(dǎo)航規(guī)劃方法在更高的抽象級(jí)別上運(yùn)行，主要目標(biāo)是彌合路徑規(guī)劃與任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度之間的層次差距。文獻(xiàn)[39]分別考慮了月球車自身能力約束(距離代價(jià)、地形代價(jià))和外部環(huán)境約束(光照代價(jià))，并分析了它們之間不同權(quán)重對路徑的影響，并根據(jù)履帶式和輪式月球車不同的運(yùn)動(dòng)特性，對規(guī)劃路徑進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)[40]提出了一種基于月面數(shù)字高程地圖的大范圍自主探測快速安全路徑規(guī)劃算法，改進(jìn)了A*算法的搜索機(jī)制以適用于月面大范圍路徑的快速搜索，并結(jié)合EDM地圖設(shè)計(jì)了一種安全啟發(fā)式函數(shù)，可使生成路徑盡量遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，提高了巡視器自主探測的效率及安全性。

局部路徑規(guī)劃方法主要包括基于反應(yīng)式的應(yīng)激算法、基于可行區(qū)域分析的采樣算法以及基于學(xué)習(xí)的智能規(guī)劃算法。針對月面巡視局部路徑的研究大多集中在月面地形可通過性判斷、月球車避障方法以及基于傳感器信息的路徑生成策略等。文獻(xiàn)[41]提出一種基于地形可通過性定量評價(jià)和目標(biāo)可達(dá)的局部綜合避障規(guī)劃方法，在實(shí)現(xiàn)局部避障的同時(shí)保證目標(biāo)可達(dá)，并成功應(yīng)用于“玉兔號(hào)”和“玉兔二號(hào)”月球車自主導(dǎo)航中。文獻(xiàn)[42]提出了一種可以預(yù)測地形風(fēng)險(xiǎn)的地形分類和路徑規(guī)劃算法，包括基于機(jī)器學(xué)習(xí)的地形分類，能夠從圖像中識(shí)別出潛在的危險(xiǎn)，以及基于快速探索隨機(jī)圖(RRG)和A*搜索算法的風(fēng)險(xiǎn)感知路徑規(guī)劃器，它能夠避免由地形分類器識(shí)別的危險(xiǎn)，并明確考慮車輛的動(dòng)力學(xué)約束。文獻(xiàn)[43]提出了一種在崎嶇地形下基于可穿越性分析的RRT*算法，首先由激光雷達(dá)傳感器捕獲接近連續(xù)空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成環(huán)境地圖，然后使用RRT*算法直接從LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中采樣，在RRT*的樹形展開過程中考慮月球車的崎嶇地形可通過性，最終該算法在各種實(shí)際地形數(shù)據(jù)中的仿真證實(shí)了該算法的有效性。

隨著人工智能及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，基于學(xué)習(xí)的路徑規(guī)劃、障礙檢測、可通過性分析等技術(shù)均受到了研究人員的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[44]提出了一種基于學(xué)習(xí)的全局路徑算法，設(shè)計(jì)并訓(xùn)練了一種新的雙分支深卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DB-CNN)，它可以直接從行星表面的軌道圖像規(guī)劃路徑，而不需要執(zhí)行環(huán)境映射，且算法不需要事先了解行星表面地形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DB-CNN在全局路徑規(guī)劃方面比現(xiàn)有算法具有更好的性能。文獻(xiàn)[45]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪式移動(dòng)機(jī)器人局部路徑算法。該方法利用單對角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)優(yōu)化支持的反應(yīng)式導(dǎo)航算法的輸出，使得在沒有先驗(yàn)環(huán)境知識(shí)的情況下，能夠?qū)崟r(shí)規(guī)劃避障路徑，同時(shí)最小化到達(dá)目標(biāo)的路徑長度。該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過兩步監(jiān)督離線學(xué)習(xí)和在線權(quán)值調(diào)整過程訓(xùn)練，具有良好的泛化性能和收斂性。對于月面地形可通過性分析，文獻(xiàn)[46]同時(shí)使用基于振動(dòng)和基于視覺的傳感器來并行實(shí)現(xiàn)地形分類，首先基于兩個(gè)傳感器獲取的信息,利用支持向量機(jī)對地形進(jìn)行分類，然后對彼此的分類器輸出進(jìn)行再訓(xùn)練，這種方法能夠從稀疏數(shù)據(jù)集中獲得更大程度的訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更加準(zhǔn)確的地形分析。

4)巡視器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

月面巡視器的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是其成為能否安全完成巡視探測任務(wù)的關(guān)鍵，需要考慮月球特殊的地形地質(zhì)條件，針對不同月球巡視器特有的車輛結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)開發(fā)安全可靠的控制系統(tǒng)。月面巡視器的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)需要確保巡視器按路徑規(guī)劃結(jié)果準(zhǔn)確可靠運(yùn)動(dòng)，以及考慮月面地形容易發(fā)生滑移、車輪側(cè)滑等影響如何通過對巡視器的協(xié)調(diào)控制，減少車輪原地打滑、下陷等失穩(wěn)情況的發(fā)生，提高巡視器在探測過程中的平穩(wěn)性。因此，針對巡視器大范圍探測的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究主要集中在準(zhǔn)確的軌跡跟蹤算法及月面巡視器的協(xié)調(diào)控制技術(shù)上。

月球車的軌跡跟蹤算法主要包括基于PID、反饋控制、最優(yōu)控制、滑?？刂频鹊膫鹘y(tǒng)軌跡跟蹤算法,以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的智能控制。傳統(tǒng)控制算法主要通過對巡視器的精確建模，然后基于運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，實(shí)現(xiàn)巡視器的軌跡跟蹤控制。然而由于月球地形地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜以及巡視器存在強(qiáng)非線性、非連續(xù)約束，導(dǎo)致巡視器模型與控制器和真實(shí)模型存在差異，因此，目前已有研究提出可以采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或基于學(xué)習(xí)等方式實(shí)現(xiàn)在無模型或者非完整模型下的軌跡跟蹤控制。文獻(xiàn)[48]提出了一種基于學(xué)習(xí)的非線性模型預(yù)測控制(LB-NMPC)算法，通過學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的越野地形下的高性能路徑跟蹤。LB-NMPC算法使用簡單的先驗(yàn)車輛模型和學(xué)習(xí)的干擾模型。擾動(dòng)被建模為高斯過程(GP)，作為系統(tǒng)狀態(tài)、輸入和其他相關(guān)變量的函數(shù)。GP模型根據(jù)以往試驗(yàn)中收集的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行更新，使車輛能夠在大規(guī)模、無GPS的環(huán)境中運(yùn)行。文獻(xiàn)[49]提出了一種基于概率模型預(yù)測控制(MPC)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架，其將車輛模型不確定性納入長期預(yù)測，從而減少模型誤差的影響。然后使用MPC來尋找一個(gè)使預(yù)期長期成本最小化的控制序列，結(jié)果證明該方法不僅可以達(dá)到最先進(jìn)的數(shù)據(jù)效率，而且提供了在受限環(huán)境中進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)的一種原則性方法，非常適用于巡視器行星探測等試驗(yàn)數(shù)據(jù)稀少、模型不確定性強(qiáng)的問題。

巡視器的協(xié)調(diào)控制主要針對巡視器在月球松軟、易滑移地形上移動(dòng)探測時(shí)容易發(fā)生空轉(zhuǎn)或者滑動(dòng)的問題，通過對各車輪的協(xié)調(diào)控制，克服車輪滑動(dòng)，同時(shí)達(dá)到動(dòng)力效率最大化，實(shí)現(xiàn)巡視器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[50]利用輪-土相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)研究了月球巡視器車輪滑移下沉問題，分析了月球車牽引輪的滑移下沉機(jī)理，并對傳統(tǒng)的輪土相互作用模型進(jìn)行了改進(jìn)，綜合考慮了引起滑移沉降的各種因素，建立了隨滑移率變化的沉降指數(shù)公式。建立了根據(jù)垂直載荷和滑移率計(jì)算車輪下沉量的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[51]提出了一種在車輪下沉和打滑情況下的路徑跟蹤控制問題，并采用基于邏輯的控制方案進(jìn)行了求解，該方案的新穎之處在于其方法同時(shí)考慮了縱向和橫向滑動(dòng)分量，分別設(shè)計(jì)了考慮橫/縱向滑移情況下的控制器，并給出了最優(yōu)控制參數(shù)。文獻(xiàn)[52]基于速度投影定理和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)模型，建立了六輪月球巡視器的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型，以消除巡視器內(nèi)部不必要的損耗，降低驅(qū)動(dòng)能量，提高能源利用率。

2.2 大范圍探測難點(diǎn)分析

表6總結(jié)分析了月面巡視器實(shí)現(xiàn)大范圍探測所需的GNC技術(shù)與目前主要技術(shù)方式的對比，然后分別對其存在的主要問題及難點(diǎn)進(jìn)行簡要分析。

表6 月面巡視器大范圍探測GNC技術(shù)難點(diǎn)分析Table 6 Analysis of GNC technical difficulties in wide-range exploration for lunar rovers

1)月面大范圍導(dǎo)航定位技術(shù)難點(diǎn)

導(dǎo)航定位問題是月面大范圍移動(dòng)探測過程中的主要問題，目前針對月面大范圍移動(dòng)的導(dǎo)航定位問題通用的解決方法是使用巡視器掃描形成的局部地形與月球軌道器形成的全球地形進(jìn)行匹配實(shí)現(xiàn)全局定位，然后使用視覺里程計(jì)實(shí)現(xiàn)小范圍局部定位。而地形匹配需要較典型、明顯的月面地形特征才能實(shí)現(xiàn)局部地形與全局地形的精確匹配。同時(shí)，月面顏色單一、特征相似、紋理較少等低紋理環(huán)境容易導(dǎo)致視覺系統(tǒng)形成的圖像中可提取的視覺特征點(diǎn)少，特征點(diǎn)的描述子相似，誤匹配嚴(yán)重，使基于視覺的局部定位系統(tǒng)精度較低。因此，如何在月面地形特征相似、低紋理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)典型地形特征匹配以及高精度視覺里程計(jì)是月面大范圍移動(dòng)精確導(dǎo)航定位技術(shù)的主要難點(diǎn)。

2)月面大范圍地形重構(gòu)技術(shù)難點(diǎn)

目前針對月面大范圍地形重構(gòu)技術(shù)的研究多集中在基于視覺的三維立體重構(gòu)以及同步定位與建圖技術(shù)。由于月球光線變化較大、月面典型的非結(jié)構(gòu)化及缺少紋理的地形環(huán)境以及月球車運(yùn)動(dòng)影響等因素影響，需要密集的特征點(diǎn)提取與匹配才能保證月面地形重構(gòu)精度。而月面非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的不規(guī)則性會(huì)大大增加環(huán)境采樣的需求，并導(dǎo)致地形重構(gòu)計(jì)算量的急劇增加，計(jì)算量大和實(shí)時(shí)性維護(hù)是在大規(guī)模環(huán)境下三維重構(gòu)面臨的主要問題。同時(shí)，月球具有較大變化的光線環(huán)境會(huì)給傳感器系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定的視覺信息，如何描述感知信息的不確定性，以及如何基于信息的不確定性描述來進(jìn)行地形重構(gòu)，使巡視器可以適應(yīng)月球動(dòng)態(tài)環(huán)境的變化，也是需要解決的難點(diǎn)問題。因此，如何在月面復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境及月球車有限的計(jì)算資源和傳感器能力條件下，實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)的大范圍月面地形重構(gòu)是月面大范圍探測面臨的一個(gè)重要問題。

3)月面大范圍路徑規(guī)劃技術(shù)難點(diǎn)

對于月面巡視器來說，大范圍移動(dòng)探測過程中可能遇到的最大風(fēng)險(xiǎn)就是月面復(fù)雜地形中潛在的危險(xiǎn)，如巡視器可能陷入柔軟流動(dòng)的類沙漠地質(zhì)而無法前進(jìn)，碰撞小型石塊可能導(dǎo)致巡視器系統(tǒng)故障及損壞等。因此巡視器路徑規(guī)劃技術(shù)必須具備潛在地形風(fēng)險(xiǎn)的評估及躲避能力。目前針對月面大范圍全局路徑規(guī)劃技術(shù)的已有研究,可依靠設(shè)定的路徑安全性指標(biāo)使巡視器避開大型障礙區(qū)域，但由于全局地圖分辨率較大無法識(shí)別小型障礙并且無法辨識(shí)地質(zhì)情況。而局部路徑規(guī)劃技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的月面地形可通過性判斷、基于傳感器信息的避障路徑生成等，但目前僅可實(shí)現(xiàn)很低速度的巡視器實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃，無法滿足大范圍移動(dòng)探測高速移動(dòng)的任務(wù)需求。同時(shí)也要考慮巡視器車載計(jì)算機(jī)性能，對大范圍路徑的全局/局部規(guī)劃算法進(jìn)行輕量化處理實(shí)現(xiàn)路徑的快速規(guī)劃。綜上，在考慮月面復(fù)雜環(huán)境的精確約束條件下，如何實(shí)現(xiàn)巡視器實(shí)時(shí)、快速、安全、可靠的路徑規(guī)劃，是月面大范圍路徑規(guī)劃技術(shù)的主要難點(diǎn)。

4)月面大范圍運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

月面巡視器的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)需要在月球表面松軟月壤以及復(fù)雜地形的影響下實(shí)現(xiàn)巡視器的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制，確保巡視探測任務(wù)的安全可靠完成。針對大范圍移動(dòng)探測的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，目前主要通過對巡視器動(dòng)力學(xué)精確建模進(jìn)而設(shè)計(jì)滿足巡視器運(yùn)動(dòng)約束的最優(yōu)控制器，而由于巡視器模型的強(qiáng)非線性、非連續(xù)特性，以及在大范圍移動(dòng)過程中發(fā)生的車輪損耗、車體結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的巡視器模型變化，都會(huì)使建立的巡視器模型與控制器和真實(shí)模型存在差異。因此需要針對不同巡視器結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式建立專用模型，并且可在大范圍長時(shí)間運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行模型自適應(yīng)更新。同時(shí)還需要考慮巡視器易發(fā)生滑移、車輪側(cè)滑、下陷等危險(xiǎn)情況，研究巡視器的協(xié)同控制技術(shù)以提高巡視器在探測過程中的平穩(wěn)性。因此，如何對巡視器進(jìn)行精確建模并實(shí)現(xiàn)大范圍移動(dòng)過程中的模型自適應(yīng)更新，以及在月面特殊地形地質(zhì)情況下實(shí)現(xiàn)安全可靠的協(xié)調(diào)控制，是月面大范圍運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)面臨的主要問題。

3 月球大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)建設(shè)想

由前文可以看出，巡視器具備在月球進(jìn)行大范圍探測能力是未來巡視器主要的發(fā)展方向，而目前月面巡視器的GNC技術(shù)在支持大范圍探測方面還有諸多難點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)更加完備高效的月面大范圍探測，本節(jié)提出了月球大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)的構(gòu)建設(shè)想，并針對其構(gòu)建目的意義及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要分析。

3.1 月球大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)建目的意義分析

月球大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)是指全月范圍內(nèi)互聯(lián)互通的大范圍轉(zhuǎn)移路徑網(wǎng)，類似于地球上構(gòu)建的高速公路網(wǎng)，首先通過在月球上選取一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(類似于地球上的城市作為路網(wǎng)節(jié)點(diǎn))，然后確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再規(guī)劃出不同節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)移路徑，即可完成大范圍探測網(wǎng)的構(gòu)建。構(gòu)建大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)的目的就是增加巡視器大范圍移動(dòng)探測的完備性及可靠性，確保大范圍轉(zhuǎn)移任務(wù)的成功執(zhí)行。構(gòu)建月球道路拓?fù)渚W(wǎng)具有以下深刻意義：

1)月面大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)建完成后，由于月球地形環(huán)境基本不會(huì)發(fā)生變化，可長期用于巡視器大范圍探測，達(dá)到一勞永逸效果。并且通過構(gòu)建不同規(guī)模及不同密度的安全轉(zhuǎn)移道路網(wǎng)，可用于實(shí)現(xiàn)不同范圍、不同粒度的巡視器自主探測任務(wù)。

2)對于月球大范圍探測的導(dǎo)航定位問題，可通過在拓?fù)渚W(wǎng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置全局定位裝置(如“阿波羅”計(jì)劃放置的激光反射鏡)，利用月球軌道器或地球測量設(shè)備實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)全局定位。巡視器在大范圍轉(zhuǎn)移過程中，每到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)即可進(jìn)行一次全局位置修正，消除轉(zhuǎn)移過程中的局部定位累計(jì)誤差，這樣即可實(shí)現(xiàn)月面大范圍探測過程中的導(dǎo)航定位。

3)對于月球大范圍探測的路徑規(guī)劃問題，傳統(tǒng)方法在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，根據(jù)任務(wù)設(shè)定的最優(yōu)性指標(biāo)規(guī)劃出一條由起點(diǎn)到終點(diǎn)的轉(zhuǎn)移路徑，這種方法缺少對目標(biāo)點(diǎn)可達(dá)性的考慮。由于月面探測任務(wù)的高代價(jià)及高風(fēng)險(xiǎn)性，對路徑的要求不再是路徑最短或時(shí)間最短，而是保證路徑的安全性及目標(biāo)的可達(dá)性，確保巡視器安全到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)是探測任務(wù)成功的必須條件，也是巡視器系統(tǒng)完備性的必要保證。大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)可提高巡視器大范圍轉(zhuǎn)移系統(tǒng)完備性，在某條路徑無法通行時(shí)，可快速提供其他備選路徑，實(shí)現(xiàn)“條條大路通羅馬”。并且通過道路拓?fù)渚W(wǎng)規(guī)劃大范圍轉(zhuǎn)移路徑規(guī)劃速度明顯高于直接在大規(guī)模地圖上搜索轉(zhuǎn)移路徑，可基于道路網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速路徑規(guī)劃及重規(guī)劃。

3.2 構(gòu)建月面大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

對于在月面構(gòu)建覆蓋全月的大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)，相比于地球構(gòu)建的高速公路、鐵路等路網(wǎng)，月面具體環(huán)境未知，因此需要依靠一定分辨率的高程圖和影像圖進(jìn)行月面環(huán)境分析。而相比于地球的城市作為路網(wǎng)的中途節(jié)點(diǎn)，月球目前沒有構(gòu)建道路拓?fù)渚W(wǎng)所需的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)選取策略，要保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)盡量選在平坦區(qū)域，且分布均勻，確保網(wǎng)絡(luò)的密度適中且覆蓋完整。同時(shí)由于月球部分地區(qū)地形地貌十分復(fù)雜，如月背、兩極等，因此需要保證道路網(wǎng)中路徑的安全性，確保大范圍轉(zhuǎn)移路徑的可行性和安全性。因此構(gòu)建月面大范圍探測網(wǎng)需要以下關(guān)鍵技術(shù)：

1)月面環(huán)境綜合分析技術(shù)

構(gòu)建月面大范圍探測網(wǎng)，首先要對月面環(huán)境進(jìn)行深度綜合分析，排除大型山脈、陡峭的環(huán)形山邊緣等含有危險(xiǎn)地形地質(zhì)條件的區(qū)域，同時(shí)還要綜合分析光照、通信、溫度等多種環(huán)境信息，確定巡視器在月面可以安全行駛并滿足任務(wù)約束的可行區(qū)域。通過對巡視器移動(dòng)探測影響較大的地形地質(zhì)信息、光照條件、通信條件等多維復(fù)雜約束條件進(jìn)行深度分析，構(gòu)建出全月范圍內(nèi)的月球環(huán)境數(shù)據(jù)中心，為月球大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)的節(jié)點(diǎn)選取、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定、路徑規(guī)劃等提高全方位的環(huán)境數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為后續(xù)月球探測仿真模擬、著陸區(qū)選址、時(shí)空分析甚至月球基地建設(shè)等任務(wù)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2)道路拓?fù)渚W(wǎng)節(jié)點(diǎn)選取技術(shù)

在月球構(gòu)建大范圍探測網(wǎng)，必須要確定構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)所需的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置及部署(如地球高速公路網(wǎng)以主要城市為節(jié)點(diǎn))，因此要在全月范圍內(nèi)選取一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來完成探測網(wǎng)的構(gòu)建。針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置選取，首先必須保證各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連通性，因此節(jié)點(diǎn)要選在可達(dá)區(qū)域內(nèi)，還要盡量選擇在具有較大探測意義以及較平坦安全區(qū)域，以確保巡視器在沿大范圍探測網(wǎng)移動(dòng)時(shí)既有一定的探測價(jià)值同時(shí)確保巡視器的安全性。針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量及分布，要保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量適宜且分布均勻，以確保大范圍探測網(wǎng)良好的網(wǎng)絡(luò)密度及覆蓋性。此外，為滿足不同范圍、不同規(guī)模的月面探測需求，需要構(gòu)建不同等級(jí)、不同規(guī)模的探測網(wǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也需要據(jù)此設(shè)計(jì)不同等級(jí)探測網(wǎng)所需的選取策略，已實(shí)現(xiàn)更加魯棒完備的月面探測。

3)道路拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)建技術(shù)

在構(gòu)建大范圍探測網(wǎng)所需的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選取完成后，接下來需要設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直接決定了道路拓?fù)渚W(wǎng)的連接形式及功能特性。如何設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使道路拓?fù)渚W(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)連通性等拓?fù)涮匦赃_(dá)到最優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)更加魯棒、高效的大范圍轉(zhuǎn)移路徑規(guī)劃，是月面道路拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)建的核心問題。同時(shí)，還需要研究各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的連接路徑規(guī)劃技術(shù)，需要綜合考慮月面復(fù)雜的地形地質(zhì)條件、光照條件、溫度電磁條件等環(huán)境，規(guī)劃出各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間滿足月面復(fù)雜動(dòng)態(tài)約束條件的最佳路徑規(guī)劃技術(shù)，來確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間連接路徑的安全可行，使大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)真正成為月面大范圍移動(dòng)探測任務(wù)可以信任且長期使用的有效工具。

4 結(jié)束語

本文針對月球巡視器的大范圍探測需求及相應(yīng)GNC技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)。首先從月球基地建設(shè)、月球資源探測及長期開發(fā)探索等方面對月球大范圍巡視探測需求進(jìn)行了分析，并總結(jié)介紹了世界各國提出的先進(jìn)月球巡視器研究現(xiàn)狀；然后針對月球大范圍探測GNC技術(shù)進(jìn)行調(diào)研總結(jié)，分別從導(dǎo)航、重建、規(guī)劃與控制技術(shù)方面對實(shí)行月球大范圍探測技術(shù)現(xiàn)狀及現(xiàn)存難點(diǎn)簡要分析；最后為實(shí)現(xiàn)更加完備高效的月面大范圍探測提出了月球大范圍道路拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)建設(shè)想，并針對其構(gòu)建目的意義及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要分析，為未來月球探測任務(wù)提供有價(jià)值的發(fā)展建設(shè)思路。