深空探測自主導航的關鍵技術
量子慣性測量器件。在深空探測任務中，慣性導航系統(tǒng)也是不可缺少的導航方式，尤其在變軌和著陸階段，慣性敏感器可用于測量探測器自身的轉(zhuǎn)動角速度和受外力產(chǎn)生的加速度，經(jīng)過導航解算之后可以提供探測器的速度、位置和姿態(tài)信息。傳統(tǒng)慣性測量器件受體積、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，美英科學家提出了基于各種量子效應和微加工技術的新型慣性導航技術，稱為量子導航。量子導航的關鍵器件主要包括原子陀螺儀和原子加速度計。
（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動來實現(xiàn)角速度的測量。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中的Sagnac效應類似，經(jīng)過激光深度冷卻以后，原子會產(chǎn)生較強的相干性，物質(zhì)波屬性變得明顯，利用這種物質(zhì)波的干涉可以實現(xiàn)角速度的敏感測量。原子自旋陀螺有兩種實現(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，可以大大提高慣性測量的精度。目前國外已經(jīng)研制了樣機原子自旋陀螺，并正在發(fā)展低功耗、小型化的原子自旋陀螺，我國北京航空航天大學也在開展原子自旋陀螺的研制工作。對于原子干涉陀螺而言，體積相對較龐大，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。原子加速度計、重力儀或重力梯度儀也是利用冷原子干涉效應來實現(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)的加速度計低5個量級。利用高靈敏度的加速度計感應作用在探測器上的非重力，進而實現(xiàn)對隨機擾動的建模或者補償。
目前高精度的原子加速度計實驗樣機已經(jīng)成熟，但是如何從實驗室樣機到實用的高精度加速度計測量設備、如何減少體積功耗以及成本、如何增強原子加速度計的穩(wěn)定性是未來研制的重要方向。
X射線探測器。X射線脈沖星自主導航是一種精度極高的自主導航方式，而X射線探測器是脈沖星自主導航系統(tǒng)的關鍵部分。目前，研制中的X射線探測器主要分為三種，分別為氣體探測器、閃爍探測器以及半導體探測器。復雜的深空探測環(huán)境以及深空探測任務要求X探測器具有高能分辨率、高時間分辨率、大面積、重量輕、體積小、無需低溫制冷等特點。這就需要進一步提高探測器單位面積的探測效率，研究大面積MCP探測器拼接技術，解決碘化銫的潮解問題、縮短鍍膜的時間和裝配時間，提升探測器的信噪比等。
光學成像敏感器。深空探測自主導航系統(tǒng)對于光學敏感部件的精度和靈敏度較高、體積小，因此對于光學敏感器的光學、結(jié)構、機構、熱控和雜光消除等有著嚴格的標準，對于這些關鍵性技術的改進將會推動深空光學敏感器研發(fā)工作。小型化和低成本是未來航天器發(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出現(xiàn)在未來的探測器中。利用納米光學技術設計微小型星敏感器光學系統(tǒng)將是未來突破現(xiàn)有星敏感器成像機制的關鍵研究技術。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研究內(nèi)容。在探測器對姿態(tài)控制精度要求不斷提高的情況下，提高星敏感器姿態(tài)測量精度是一項關鍵技術。采用多視場的光學敏感器感器設計方法，可以在不改變探測星等的情況下減小視場，保證星敏感器的姿態(tài)測量精度；提高星敏感器光電探測系統(tǒng)的動態(tài)性選用高靈敏度的探測器，減小電路噪聲以及在軌高動態(tài)情況下雜散光對星敏感器的影響。
在深空探測器對姿態(tài)控制精度要求不斷提高，對于光學敏感器的體積、光學結(jié)構、熱控系統(tǒng)等有著嚴格的要求。為了減小敏感器的體積，實現(xiàn)敏感器的微小型，研制高性能微型圖像傳感器、利用納米光學技術設計微小型星敏感器光學系統(tǒng)將是突破現(xiàn)有星敏感器成像機制的關鍵技術；多視場光學敏感器感器可以在不改變探測星等的情況下減小視場，保證星敏感器的姿態(tài)測量精度，也是目前研究的一項重點技術。為了進一步提高星敏感器姿態(tài)測量精度和動態(tài)性，如何減小電路噪聲、如何減小在軌高動態(tài)情況下雜散光對敏感器的影響也是亟待解決的關鍵問題。
自主導航信息處理算法。導航信息的自主獲取與處理是實現(xiàn)自主導航與控制的前提。為了提高自主導航系統(tǒng)的性能，必須對獲取的各種傳感器信息進行合理處理，從而提取高精度的導航信息。對于光學成像測量和圖像導航，圖像處理是是獲取高精度的導航天體信息的核心；而對導航信息的處理，多信息融合算法是提高導航精度的關鍵。
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