《Acta Astronautica》：Autonomous flyby operations for Comet Interceptor Probe B1: Guidance, navigation, and control strategy
编辑推荐：
•为执行一次性彗星飞越任务设计的非冗余小型探测器自主制导、导航与控制（GNC）架构。•分层故障检测、隔离与恢复（FDIR）机制实现以任务为导向的自主决策，无需地面干预。•采用窄角相机/广角相机（NAC/WAC）两阶段光学导航，在仅角度测量约束下估计飞越几何构型和最近接近时刻。
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为执行一次性彗星飞越任务设计的非冗余小型探测器自主制导、导航与控制（GNC）架构。
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分层故障检测、隔离与恢复（FDIR）机制实现以任务为导向的自主决策，无需地面干预。
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采用窄角相机/广角相机（NAC/WAC）两阶段光学导航，在仅角度测量约束下估计飞越几何构型和最近接近时刻。
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基于带扰动观测器的PD控制器，开发了抗尘埃撞击的鲁棒姿态控制系统。
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蒙特卡洛模拟表明，指向精度和姿态稳定性要求以高概率得到满足。
引言
长周期彗星被认为是原始天体探索的关键目标，因为据信它们保存了早期太阳系中的物质[1]、[2]、[3]。然而，其高度不可预测的到达时间、轨道轨迹和物理特性给任务设计带来了巨大挑战，尤其是在高速飞越操作期间的制导、导航与控制（GNC）方面。仅在发现合适目标后才发射航天器，将无法提供足够的准备时间来应对此类交会。
为克服这些限制，欧洲空间局（ESA）主导的彗星拦截器任务[4]采用了一种新颖的策略，即预先发射航天器并保持待机状态，直到发现一颗动力学新彗星为止。此前的任务级研究调查了在现实转移时间和V约束下，尚未发现的长周期彗星的可接近性，包括地球前导和地球尾随交会构型以及月球借力发射策略[5]。这些分析表明，在任务设计包线内，每年可能有多颗可行的彗星目标可供选择，从而导致多样化的交会几何构型和飞越条件。此类任务特性对航天器在彗星交会操作期间的GNC系统提出了重大的运行不确定性挑战。
彗星拦截器任务采用多航天器构型，由一个主航天器和两个子探测器组成，以执行对目标彗星的一次性高速飞越观测。在该架构中，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）负责B1号子探测器（PB1）[6]，这是一个小型非冗余航天器，在与主航天器分离后必须完全自主运行（见图1）。由于PB1进行的是单次、不可重复的飞越，且无法实时地面干预，其GNC系统必须在极端不确定性下运行。彗星历表的大误差、有限的星上资源、相对运动的弱可观测性以及尘埃撞击引起的随机扰动对自主运行提出了严格要求。
在与主航天器分离后，PB1必须以完全自主的方式执行所有任务关键功能，且星上无冗余。此运行环境要求一种能够优先满足任务目标并在降级模式下维持运行的自主故障管理策略，而非默认采用常规安全模式。此外，在关于目标彗星的高度不确定先验信息条件下，必须使用仅角度测量进行光学导航，且沿飞越方向的可观测性本就很弱。另外，姿态控制系统必须能够抵抗高速相对运动下尘埃撞击引起的随机脉冲扰动，同时保持最近接近期间科学成像所需的指向精度和姿态稳定性。综合应对这些挑战对于实现任务的科学目标至关重要。因此，本研究专注于设计并验证一种明确考虑这些约束条件的GNC架构，并通过数值模拟证明其可行性。
本文其余部分组织如下：第2节描述PB1的构型及其自主操作序列，包括为非冗余自主运行而设计的分层故障检测、隔离与恢复（FDIR）策略。第3节介绍星上光学导航方法，详细说明彗星识别过程以及飞越几何构型和最近接近时刻的两阶段估计。第4节介绍姿态动力学、尘埃撞击建模以及抗扰动鲁棒姿态控制系统的设计。第5节通过数值模拟和蒙特卡洛分析，在具有代表性的交会条件下评估所提出的GNC架构。最后，第6节总结结论并讨论未来工作方向。
章节片段
自主操作场景
本节描述PB1的自主操作概念及其在彗星飞越过程中的实现。由于所有任务关键决策必须星上执行，无需实时地面干预，操作序列与GNC设计紧密耦合。重点说明自主序列（包括FDIR）如何构建，以在单次、不可重复的飞越事件中最大化科学回报。
星上光学导航
本节详细介绍了PB1全自主星上光学导航系统的开发。描述了从窄角相机（NAC）成像结果中识别彗星的方法，并概述了窄角相机（NAC）和广角相机（WAC）光学导航的算法。
抗尘埃撞击控制系统设计
本节阐述了抗扰动鲁棒控制器的设计。此外，介绍了最近接近（CA）前后用于分析和模拟尘埃撞击的方法——这是彗星拦截器任务的特定挑战。最后，讨论了针对这些撞击设计的鲁棒控制系统开发。
数值模拟
本节展示了使用窄角相机（NAC）光学导航（见第3节）和尘埃碰撞分析（见第4节）进行分析所得的结果。第5.1节汇总了所使用的彗星/PB1参数和初始条件。
结论
本文介绍了彗星拦截器任务中PB1的GNC设计与验证。由于PB1必须在无实时地面干预的情况下执行单次、不可重复的飞越，其GNC系统需要在彗星历表、物理特性和尘埃环境存在巨大不确定性的情况下完全自主运行。为应对这些约束，定义了自主操作概念，并构建了针对非冗余航天器的分层FDIR架构。
CRediT作者贡献声明
佐竹孝宏：撰写——初稿，可视化，软件，资源，方法学，形式分析，概念化。尾崎直也：撰写——审阅与编辑，验证，软件，方法学，形式分析，概念化。藤原正弘：撰写——审阅与编辑，验证，软件，方法学，形式分析。伊原亮：撰写——审阅与编辑，验证，软件，方法学，形式分析。酒谷直也：撰写——审阅与编辑，验证，软件，
利益冲突声明
作者声明，不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
佐竹孝宏|尾崎直也|藤原正弘|伊原亮|酒谷直也|海理吾|大槻由希保|伊藤太一|中島慎太郎|舟瀬隆|鈴木俊弘|関根広隆|畠山彰|坪付大地|柿原公太
