深空探测自主导航方法
天文导航。天文导航是以已知星历的自然天体作为导航信标，利用光学导航敏感器对导航信标进行成像，通过图像处理算法对导航信标进行识别定位，根据导航信标的星历信息或特征信息，结合光学导航敏感器的内外参数，提供高精度的惯性视线指向，从而进行载体姿态位置确定的一种导航定位方法。天文导航无需地面无线电设备参与，自主性、安全性和隐蔽性强，对于飞行在深空中无法依赖地面测控的探测器而言，有着得天独厚的应用环境。根据观测天体信息的不同，天文导航可分为基于太阳和行星天文导航以及基于小行星的天文导航两种。
（1）基于太阳和行星天文导航。利用太阳和行星进行自主导航是最为成熟的天文导航方案。将太阳和行星作为导航信标，确定探测器导航参数。由于太阳和行星在任意时刻的位置可根据星历获得，通过探测器上安装的天体敏感器观测探测器与行星之间的夹角、行星与恒星之间的夹角和行星视线方向等，并通过滤波算法即可确定探测器的位置姿态信息。
将太阳和行星作为导航信标，被动接收这些天体自身辐射的光学信息进行导航，太阳和行星在空间的运动规律不受人为改变，从根本上保证了这种导航方式的自主性和可靠性。而且，天文导航可以同时提供导航位置和姿态信息，导航精度高，导航误差不会随时间积累，并且仅利用探测器上安装的天体敏感器件（太阳敏感器、行星敏感器、星敏感器以及红外地平仪等），无需额外增加其他硬件设备，设备简单造价低，便于推广应用。
早在20世纪60年代，美国“阿波罗”登月计划中就已经使用了这种导航方法。1982年美国JPL实验室研制的自主导航系统用于木星的飞行任务，它是利用光学敏感器测量恒星与行星之间的夹角进行导航。2004年JPL研制的“勇气号”火星车，是利用太阳敏感器测量太阳方位角和高度角来进行导航的。
（2）基于小行星的天文导航。小行星是太阳系中类似行星环绕太阳运动的天体，由于其体积和质量比一般的行星小很多，因此称为小行星。利用探测器在飞行过程中遭遇到的近距离小行星进行定位，可以大大提高导航的精度。
基于小行星的天文导航技术中，非常关键的一步是导航小行星的筛选，导航小行星的选择在探测器发射前期就需要完成。首先，利用设计探测器的标称轨道和小行星的星历，筛选出对应时间区间的小行星列表；然后根据绝对星等约束，筛选出满足导航目标亮度要求的小行星列表；之后，根据探测器相对小行星视线方向和探测器当前的期望姿态，考虑到相机的安装位置和可能成像到相机的恒星数，可以给出对应时间区间的可用小行星列表；最后，优化导航小行星列表，保证每个观测窗口对导航小行星拍照所需要的机动时间最小。
基于小行星的自主导航已经成功地应用在了“水手号”“旅行者号”和近期的“深空一号”探测器中。深空一号通过扫描星体和小行星，从而确定自身所在的位置。我国发射的第二颗探月卫星、第二颗人造太阳系小行星“嫦娥二号”，在完成了一系列工程与科学目标，获得了分辨率优于10米月球表面三维影像、月球物质成分分布图等资料，如图1所示。2011年4月1日，嫦娥二号拓展试验展开，在完成绕月探测和日地拉格朗日L2点科学探测任务后，对深空4179号小行星（图塔蒂斯）进行近距离飞越探测。为确定小行星的精确运行轨道，2012年5月至12月，中国科学院国家天文台兴隆站、紫金山天文台盱眙站和云南天文台丽江站等3个台站参与了4179号小行星观测任务，共获得175组高质量观测图像，为复核确认和自主确定小行星的高精度轨道提供了有效数据支持。
基于序列图像的自主导航。基于序列图像的自主导航是利用成像敏感器获取天体表面图像序列信息，通过对该序列图像进行处理分析从而获取探测器的位置、速度和姿态等导航信息。根据所采用敏感器的不同，基于序列图像的自主导航可以分为两类：主动式和被动式。
