光学导航敏感器是什么

光学导航敏感器是指应用于空间环境中基于光学探测原理获取航天器姿态或导航信息的敏感器。光学导航敏感器可以说是航天器的“眼睛”。

光学导航敏感器简介

一般来说，航天器在离开地球以后，北斗等全球导航系统便逐渐派不上用场。而在没有北斗，没有GPS的情况下，茫茫太空中，类似“天问一号”的探索太空的飞行器靠的就是光学导航敏感器实现导航引路。

光学导航敏感器可以说是航天器的“眼睛”，能够为遥感测绘、武器跟瞄、科学观测、深空探测等空间任务提供精确指向或位置信息。光学导航信息的获取与处理是一项核心技术，其主要包括三个方面：图像预处理技术、高精度形心提取技术和亚像素处理技术。

其中，图像预处理的目的是去除图像的噪声，保证目标之间的对比度。由于光学成像敏感器自身存在缺陷并且电子设备噪声也会引入图像噪声点，这些噪声点都会改变目标天体之间的强度对比，影响后续的图像处理结果；在星图成像过程中，诸多的噪声因素会影响质心定位的精度，以及星图质心中心的提取精度，这些都会影响敏感器最终的测量精度。

此外，光学敏感器还可以通过对宇宙中的星座（如火星）的成像，结合估计算法获取航天器相对于星座的实时位置和实时的速度信息，从而为航天器实现导航定位的作用，还可以对深空探测相关光学导航方法进行工程验证。

近年来，我国在深空探测领域的发展迅速令世人瞩目。

2013 年“嫦娥三号”首次实现基于机器视觉的月面软着陆；

2019 年“嫦娥四号”首次完成月球背面软着陆；

2020年，“天问一号”拍摄地月合照。

上述这些重大的太空探索工程，光学敏感器都发挥了关键的作用。一般而言，按照深空探测任务场景的不同，深空探测光学敏感器包括姿态测量敏感器、自主导航敏感器、着陆避障敏感器及巡视探测敏感器等。

未来，光学自主导航将是支撑我国走向更远空间的重要技术之一。而光学导航敏感器的自主智能化、轻小化、长寿命、高稳定、多体制数据融合等等都是未来的发展趋势，光学导航敏感器的发展，也将为我国后续深空探测任务的开展打下坚实的基础。

自主导航光学敏感器

深空探测自主导航光学敏感器，可以通过对行星、小天体、X 射线脉冲星等参考目标进行成像，以实现相对定向和自主导航，能够代替地面测控系统用于探测器星际飞行自主导航与目标接近引导。针对不同深空探测任务的具体需要，我国发展了紫外月球敏感器、脉冲星导航敏感器等一系列可用于深空探测的自主导航光学敏感器。

关键技术

一、图像处理与识别算法。

图像处理与识别是深空探测光学敏感器感知空间环境、准确提供导航数据的前提。低信噪比下的目标识别与参数估计、特征提取与地形匹配导航、基于视觉 SLAM 和深度学习的巡视定位等都是深空探测光学敏感器未来发展和性能提升的关键。

二、高性能图像处理平台。

深空探测光学敏感器实现自主化、智能化依赖高性能图像处理平台的计算能力，尤其对于我国未来小行星探测任务、木星及行星际穿越任务，高可靠、高性能的计算能力更为重要。

三、地面验证技术。

深空探测属高价值空间探测任务，在地面利用大型试验系统按照实际任务模式对深空探测光学敏感器的综合性能和关键指标进行系统性验证，能够有效考核敏感器的设计和实现情况，降低任务风险，是任务成功的重要保证。

四、在轨标定技术。

深空探测任务期周期长、空间环境复杂，光学敏感器的光机结构和辐射特性不可避免会发生变化，因此，在轨标定技术对于深空探测光学敏感器保持良好的在轨性能尤为重要。

未来趋势

一、导航敏感器与科学载荷一体化设计。

敏感器兼具导航和科学探测能力，能够有效降低深空探测航天器的运载压力和任务成本，提高敏感器探测能力和科学产出。美国 OSIRIS-REx 小行星探测任务，科学OCAMS 相机套件中的 PolyCam、MapCam 和 SamCam既承担遥感制图和光谱观测等科学任务，同时还要完成星图导航、目标光学捕获、路标导航等导航任务。

二、自主智能化。

深空探测光学敏感器不再完全依赖地面遥操作，能够自主决策和在线故障诊断与恢复，完成诸如在线制图与路标导航、巡视器自主导航与定位等在轨操作，降低深空网数传压力、应对探测目标和任务的不确定性。以深度学习为代表的智能化算法，能够有效提高深空探测光学敏感器的环境感知能力，提升探测任务对不确定环境和探测目标的适应性，在深空探测资源受限的条件下提升任务自主规划能力。

三、轻小型。

在保持和提高测量精度等性能指标的前提下，选用新型材料和一体化设计思想，降低光学敏感器尺寸和重量。

四、长寿命、高可靠。

深空探测风险大、周期长、成本高，任务顶层设计趋向于多目标探测，我国小行星探测任务已明确提出“一次任务完成近地小行星伴飞、附着、取样返回和主带彗星探测”，这就要求深空探测光学敏感器具有 15 年以上寿命，能够在任务周期内可靠稳定工作。

五、多体制数据融合。

例如光学相机和激光雷达是深空探测中最常用的两种光学敏感器。光学相机影像具有分辨率高、光谱信息丰富等特点，而激光雷达能够提供高精度的深度数据；将不同类型光学敏感器的探测数据相互融合，能够丰富探测数据，保证深空探测导航信息的可靠性。