王 濤

（中山大學智能工程學院，廣州510006）

摘 要：無人探測器著陸火星執行復雜探測任務已經成為當前國際深空探測的研究熱點。首先對陸空協同合作的無人系統技術與應用研究現狀進行總結闡述，展望陸空協同無人系統的發展趨勢；隨后闡述了火星地面與大氣環境條件，對應用于火星探索的地面探測車和旋翼無人機系統研究進行了綜合評述，著重探討了火星探索陸空自主協同無人系統的技術發展趨勢。綜述表明，在未來更多執行行星無人探測任務的設計中，發展并強化無人系統陸空智能協同合作能力，有助于提高行星探測任務的執行效率，協同合作提高無人系統的生存保障能力。

關鍵詞：火星探測；作業環境；探測車；無人飛行器；陸空協同；自主行為

1 引 言

早在1962年，從蘇聯開始，人類啟動了首次火星探測任務，向火星發射了火星1 號探測器，然而該探測器在飛行至距地球一億多公里時與地面失去聯系，第一次人類探測火星任務以失敗告終。直到1971年，蘇聯再次發射火星2 號探測器，探測器成功登陸火星表面。隨后，1976年美國發射了海盜1 號和海盜2 號火星探測器，以衛星著陸器的形式降落火星表面。1997年7月4日，美國探路者號火星探測車登陸火星表面，首次執行探測任務。之后美國又陸續發射了勇氣號、機遇號、好奇號和洞察者號火星車，均在火星表面成功著陸。中國于2020年7月23日成功使用長征五號大推力運載火箭把天問1 號火星探測器送往地火轉移軌道，如7 個月后成功登陸火星，必將對我國未來深空行星探測任務產生深遠的影響。另一方面，2020年夏天，美國NASA 再次向火星投放毅力號探測車，同時附加安裝在探測車上還有一架無人機Ingenuity，用于協同地面車輛提前規劃制定行進路線，以及尋找需要探索的區域。

很多火星探測的研究論著集中探討火星大氣的環境和陸地表面情況［1-3］，包括對著陸火星的氣動特性分析［4-9］，針對火星探測地面車系統［10-16］進行研究，也有學者對火星探測無人機系統［17-19］進行了初步的技術探索研究。Balarm等［20］對NASA即將執行首次飛行任務的無人直升機的設計及全尺寸原型機測試驗證進行了總結描述，火星大氣層內無人飛行系統進行探測作為一種全新的探測器，將能夠提供超越軌道衛星、陸地探測車的能力，可以大幅增強陸地探測安全執行任務能力，提供更遠距離和可行駛區域、可探索區域的預先探索定位。我們可以稱之為火星探測陸空協同無人系統。近年來，大量的研究集中在同域空間協同無人系統應用［21-25］，但是，陸空協同的無人系統相關應用研究成果［26-28］，對火星地面探測提供了更有前景的探測器結構。本文將從闡述對地面探測車和無人飛行器設計有重要關聯的火星陸地和大氣環境開始，展開對地面探測車和無人火星飛行器的研究，以及對陸空協同系統技術的研究探討，最后給出行星探測陸空協同無人系統技術發展趨勢。

2 火星環境

到目前為止，人類向火星發射了近40顆各類型的探測器，著陸探測任務僅有8 次獲得成功。為了確保火星探測器成功著陸，非常有必要進行火星自然地表環境以及大氣環境的研究［29-31］與模擬［4，10］，用于測試火星著陸探測系統。

2.1 地面環境

從美國發射的多顆著陸探測器傳回的情況總結來說，火星基本上是荒漠行星［31］，其表面覆蓋著松散的顆粒或砂礫石塊，圖1 為NASA 的機遇號傳回的著陸點——毅力谷附近的火星地貌圖。

   

圖1 NASA機遇號傳回的火星地貌圖
Fig.1 Opportunity’s view of Martian ground texture

火星雖然是一顆地質活動并不活躍的行星，但是目前的環境探測信息顯示，火星地形地貌特征具有多樣性，表現為嚴重的坑化，有高山、峽谷、大小坑地形、盾形火山、河床、平地等，起伏跌宕，變化很大；表面嚴重風化，有各種沙丘；另外還有獨特的極地形貌［30］。這些地形地貌與著陸探測器系統的降落地點選擇緊密相聯，決定了探測器行進中的危險障礙風險和可持續探測任務的能力。

另一方面，火星表面土壤表現為與月壤類似的特征［32］，其顆粒直徑范圍比較廣，表層的顆粒直徑比月壤表層的顆粒直徑要大，但是火星土壤密度比較小。相較于月壤，火星表層容重總體上偏小，火星土壤的內摩擦角要比月球土壤的內摩擦角小，火星土壤的承載力和月球接近，如圖2和圖3所示，火星土壤與月壤的松軟程度比較接近，這對火星探測地面車輛系統研制具有重要的參考意義。

   

圖2 好奇號行駛后留下土壤車轍痕跡
Fig.2 Curiosity’s view of Martian dune after crossing it

   

圖3 中國探月工程玉兔2號留下的車轍
Fig.3 Yutu2’s view of the Moon’s Mare Imbrium region

火星塵埃主要組成成分為極細粒的硅酸鹽顆粒物，會在火星地表隨風遷移，探測器的研發需要考慮這種物質對火星探測器的光學部件可能產生的威脅以及火星探測器壽命的影響，塵埃沉積為太陽能電池板以及裸露在火星環境中的其他硬件設備的效率和壽命帶來極大挑戰，勇氣號曾因為太陽能電池板蒙塵，電力持續下降導致供電系統癱瘓［33］。另外，火星上極有可能存在含有磁性物質的土壤和塵埃，磁性的監測也將為無人系統儀器正常工作提供重要信息。

2.2 大氣環境

本文針對行星探測可能存在的陸空系統應用選擇開展相關研究探討，劉高同等［18］對火星表面大氣環境特性進行了模擬仿真研究，設計合理有效的行星探測無人飛行系統亟需可靠的火星大氣地面模擬裝置，以提供試驗基礎保障。

已有的火星探測器數據表明，火星表面大氣環境呈現出稀薄、干燥、嚴寒、風沙大、沙塵暴頻繁的特點，并且處于低氣壓和低溫狀態（如圖4），這些問題是火星著陸無人探測系統必須面對和克服的問題。火星表面大氣壓強只有地球的0.6%，而且主要成分CO2占全部氣體的95.97%，大氣中還夾帶著大量沙塵。因此，在這種環境下，火星探測無人系統所搭載儀器與周圍環境需要進行熱平衡研究。

火星每天都處于一個巨大的熱循環，火星溫度在-110℃～+30℃的范圍變化，對于探測器電子系統、機械系統等帶來了嚴峻的挑戰，風暴引起的沙塵會覆蓋洞察號的太陽能電池板，使得電力不足，從而導致探測系統機械臂無法繼續進行精準的操控，這些在工程設計過程中都是需要克服的問題。

   

圖4 勇氣號火星90天測溫數據分布圖
Fig.4 Spirit recorded temperatures’change in 90 days

3 火星探測無人系統

3.1 地面探測車

行星表面深度探測中最具科學價值的信息通常來源于復雜/極端地形探測，相較于在軌飛行的探測器，小型化地面探測車成為人類執行星表探測任務的備受關注的手段［34］，目前為探測月球、火星、小行星而研發的小型星表無人探測系統已經有很多代表性應用［35］。目前為止成功登陸火星的無人地面探測系統見表1。

旅居者號探測車是探路者任務使用的地面火星車，采用地面站遙控方式，地火之間通信時延使得地面人員不能實時控制旅居者號，其有限的自主體現在自主地形穿越、突發事件處理和資源管理。勇氣號和機遇號的控制方式是短距離內自主導航和地面遙操作任務執行，兩者的自主性實現了數小時內的無人監測、復雜地形的運動控制等。好奇號工作模式是長距離自主導航和任務遙操作，車載強大的實時軟件維護能力，并在火星上行駛過程中執行高效路徑規劃決策，以及在采樣過程中對機構實現自主精準控制［36-37］。隨著多源異構傳感器、車載計算機、大容量長效動力電池和自主導航控制算法的飛速發展，火星地面探測車的自主能力越來越強，可以獨立自主完成復雜的科學探測任務，所需人工干預越來越少，正在向自主智能型火星車發展。盡管如此，勇氣號、機遇號以及好奇號都曾經出現過探測信息不夠、控制不及時導致的深陷火星坑；損壞科學儀器和車輛行走系統等問題，無法執行更多更深度的探測任務。

表1 已經著陸火星地面探測車系統運行狀況統計表
Table 1 The statistics of launched rovers on Mars

     

3.2 火星無人飛行系統

火星大氣稀薄、環境低壓，對無人火星飛行系統的設計和應用提出了巨大的挑戰，雖然無人地面系統無法解決視野局限性、滿足地形地貌大范圍高精度測量等高價值行星探索需求的問題，火星無人飛行系統相關研究仍然備受科學與工程研制者的關注。趙鵬越等［17］對研究旋翼火星無人機特性和應用可行性進行了總結闡述，并對火星無人機的飛行氣動特性和導航控制系統集成方案進行了說明。姚克明等［38-42］對火星無人機的旋翼升阻動力特性、建模、視覺景象導航以及自主任務規劃與控制等關鍵技術進行了探索研究。Balarm等［20］對NASA即將隨Mars 2020 任務實施首次火星大氣層內飛行的火星直升機的技術和地面測試試驗進行詳細闡述。

火星旋翼直升機技術是非常令人期待的技術之一，其將完成低重力、低氣壓和稀薄大氣內的火星飛行任務。火星無人機的質量不到1.8kg，在火星上，由于重力的不同，它將重約680g。機身和壘球差不多，它的雙槳葉將穿過稀薄的火星大氣層，以每分鐘近3000 轉的速度旋轉，速度大約是陸地車的10 倍。為了應對夜間達到-90°C 的剛性火星溫度，無人機還配備了可通過太陽能電池板充電的鋰離子電池和加熱系統。這架小型旋翼直升機安裝在毅力號火星探測車的腹部，其設計目的是驗證此種行星探測無人飛行系統是否可以在地球以外的地方使用，類似的設備可能在未來十年用于探索土衛六等地外行星，這將是第一架在其他星球上飛行的飛行器，在著陸后以毅力號為載機母艦進行固定。通過探測車協助尋找到合適的區域后，才會開始執行試飛任務，直升機將在30天內完成最多5次飛行測試，升空后將為毅力號提供更多可探測區域、可行駛區域以及地形地貌等相關數據，可供無人地面探測車執行安全路徑規劃和更高精度的導航與控制使用。

   

圖5 火星旋翼無人直升機的結構組成示意圖
Fig.5 The scheme of Mars helicopter

其關鍵技術包括：

（1）葉片設計技術

火星引力只有地球的38%，因此無人機不需要產生與地球上相同的懸浮力。另一方面因為火星的大氣密度只有地球大氣層的1%。火星飛行器的飛行雷諾數（Re）約為103～104，要比地球上的飛行器的飛行雷諾數小兩個量級，因此火星直升機就相當于在地面高空約30 公里上飛行［43］。火星上無人直升機的旋翼只能選擇高達3000轉/分的旋轉速度來產生足夠的升力，這對旋翼葉片的設計提出了新要求。

（2）不依賴衛星導航的導航控制技術

火星稀薄的大氣導致火星無人直升機的飛行姿態調整過程比較遲緩。火星上的風、沙塵暴等也將嚴重影響火星無人機飛行穩定性，這要求無人機對變化的環境能夠進行快速調整，以保證其飛行安全。此外，火星無人機要具備很強的自主判斷和執行能力，不能完全依賴地面遙操作控制，避免通信延遲造成不可預測的事故。火星無人機飛行要能夠以火星漫游車或火星衛星作為時空基準，實現自主導航定位，并能夠回歸無人探測車母港固定。因此，火星無人機的控制方法必須考慮低氣壓氣動特性，具備較高的抗環境干擾能力。

（3）飛行環境安全控制技術

火星白天的溫度最高可達30℃左右，但夜間溫度可以降至-90℃。因此，火星無人機載各種器件必須能夠經受反復的冷熱交替，無人機具備可靠的機載實時熱控系統，以保障控制系統正常運作。此外，火星上的沙塵暴問題導致的太陽能電池無法充電亦需要進行控制；而沙塵會導致火星直升機很薄的旋翼葉片加速磨損，從而導致飛行器壽命降低。這些都是環境安全控制技術需要考慮的。

（4）地面測試試驗技術

由于火星與地球之間重力場不同、大氣密度偏差巨大等問題，在地面模擬火星無人直升機在火星上的飛行環境面臨重大挑戰。地面試驗技術要求盡可能模擬火星上直升機的運行條件，包括在真空室中模擬火星的低密度環境以及類似火星上的溫度變化，以驗證直升機能否在寒冷的氣溫下生存和正常工作。更重要的是，要真正模擬在火星上的重力場對飛行的影響，必須模擬地球三分之二的引力，要有一套重力卸載系統進行試驗。試驗的重點是確定直升機的推力、功率、關鍵系統的動力學特性和自由飛行的控制。

3.3 協同合作無人系統

無人飛行器能夠用于大區域范圍內的目標搜索，但是無人飛行器無法對地面目標進行精確定位與識別，另一方面，無人地面車輛系統能夠用于高精度定位地面目標，但是不具備快速移動、及時有效識別前方障礙危險等能力，因此陸空協同無人系統已經成為當下應用研究的熱點問題［26-28，44-48］。

過往的探測行動表明，火星的地形十分復雜，行駛漫游車太艱難，同時據火星與地球間的相對位置的不同，信號需要8～42 分鐘才能實現往返，靠地面遙操作地面探測車往往由于延遲導致探測車陷入困境，甚至無法及時調整任務目標。單純依靠火星探測地面車輛系統的火星地表探測任務出現問題時，需要空中無人系統為地表探測任務提供信息支援，從而適應復雜地外行星環境，滿足行星探測動態目標任務要求，確保探測任務系統的安全，提高生存能力，更高效地完成任務。本文提出火星探測的陸空協同無人系統任務結構如圖6所示。

   

圖6 火星探測陸空協同無人系統的任務結構示意圖
Fig.6 Scheme of ground-aerial cooperative unmanned systems for Mars exploration

借助上述陸空協同探測系統任務結構，能實現以探測車為無人直升機母港，實現無人機的固定停靠以及時空基準定位；以無人直升機為前哨，提供協同探測共享信息，預測可行駛路徑、可探索區域以及預判前方障礙危險等。無人直升機在其中扮演僚機的角色，保障火星深度探測任務執行的能力和效率。

陸空協同合作無人系統的主要關鍵技術包括：

（1）陸空異構系統的協同控制技術。由于無人地面系統與無人飛行系統之間存在很大的差異，目前關于多機器人系統研究成果不能直接應用于無人飛機和地面車輛系統，需要對其中展現的大量新特征進一步研究，必須處理來自兩個異構平臺的信息以及有效協調車和機的行為，使得相關研究更具挑戰性。

（2）陸空協同導航規劃。在各種環境中，飛行系統利用其視角為地面探測車提供大范圍探測圖像信息和通信中繼等，輔助地面探測車安全導航規劃，完成從起始位置到達目標位置；無人車為飛行器系統提供不依賴衛星導航條件下的時空基準，起、降、返航母平臺，并為無人飛行系統提供復雜的任務規劃決策解算。

（3）陸空協同的動力能源共享技術。無人飛行系統由于其惡劣的飛行環境，其動力能源系統無法提供長時有效的支持，復雜笨重的地面探測車系統可以通過能源共享管理，對無人飛行系統提供緊急動力保障，確保協同共生系統的持續生存能力。

對無人探測地面車和無人飛行器協同合作的SWOT 分析如表2。表明陸空協同合作的行星探測系統將具備無人探測車和無人飛行器所無法實現的行星探測任務能力，這也是NASA 的工程師堅持追求在火星漫游車上實施火星無人直升機試驗任務的核心，有可能在未來其他行星地表探測任務中推廣陸空協同合作無人系統，從而提高行星深度探測的效能。

4 發展趨勢

在未來行星探測任務中，沒有模板或既定的任務目標清單可以直接借鑒使用，凸顯了未知復雜環境下的跨域無人系統協同合作需求的重要性，要拓展行星探測任務的地理空間域，實現無人系統跨空間域的合作與協調、綜合行動互補，應對未來行星探測任務中內外活動環境的沖突威脅，努力尋求協同合作探測無人系統在速度、活動區域、探測范圍、通信、保障以及有效負載能力等方面協調互補。必須從感知、認知到行為決策控制全交互協調的角度對陸空協作環境下異構無人系統協同探測、協同認知導航與控制決策問題進行研究。跨域多無人系統協同控制過程中，不同地理空間域無人平臺之間存在層次關系，需要在遵循特定協同合作機制基礎上，動態地獲得多域協同效能的最優或非劣解，協同控制過程和影響關系復雜，具有以下技術發展特征：

（1）協同任務管理擁有開放架構的系統族，需要研究一種通用的陸空協同無人探測的系統架構，可集成多無人系統平臺，實現陸空無人系統協作指控。

（2）研究行星用無人飛行系統的新型動力系統，提高飛行環境的適應生存能力，開發協同合作無人系統的能源共享技術，地面無人探測車系統作為無人飛行系統的駐泊港灣，研究自主能源保障和系統自主健康監測管理技術。

（3）無人飛行器和無人地面系統平臺由于角色和任務不同，分處不同認知層次，呈現遞階-分布式結構，使用預測控制技術解決無人飛行器和無人地面車的動態任務分配和實時控制問題。

（4）陸空協同合作系統的信息為無中心分布，各地理空間域內無人平臺均只擁有系統的部分信息，呈現信息分散的特點，以地面探測器或在軌運行行星探測衛星為時空基準，進行探測信息的有效融合共享。

表2 陸空協同系統相對單一探測系統的SWOT分析表
Table 2 SWOT of ground-aerial cooperative unmanned systems

     

（5）在復雜未知的行星探測作業環境中，通信環境比較苛刻，難以保證信道隨時暢通，且存在帶寬受限、高丟包率、長延時等情況，呈現通信約束的特點，必須要考慮陸地探測器、空中飛行器和在軌探測衛星之間的泛網絡通信問題。

（6）行星地表環境下的自主熱控管理技術，需要研究陸空協同無人系統各自對環境溫度的自適應調控，確保自身儀器系統正常運行，設計合理的溫控系統。比如，當本體溫度較低時，規劃后續工作模式為通信、感知、探測等大功率模式，提高溫度水平；反之，則規劃后續進入小功率工作模式，并推遲大功率工作模式，降低溫度水平。

（7）未來發展陸空協同行星探測系統，系統本身實現實時任務級控制必須要考慮信息過載問題，進一步采用類腦認知智能技術，利用搭載多層次傳感器進行陸空無人協同系統平臺的多源數據采集、分析、融合處理，并研究使用多源注意機制解決實時任務控制過程中可能出現的信息過載問題。

（8）加強行星探測過程中的導航技術，可靠的行星探測地表導航技術能夠確保未來火星等行星探測任務科學價值的最大化，可以通過開發智能排序、傳感器約束路徑規劃、自然地形視覺定位和實時狀態估計來解決這一問題。

（9）陸空協同合作系統必須要考慮探測行星的地表環境、輻射以及大氣氣候環境，開展地面模擬環境逼近模擬試驗，對陸空協同無人系統開展嚴苛的地面模擬測試試驗，確保系統可靠運行，提高協同系統的生存能力。

5 結束語

本文針對火星探測無人系統的行星地表環境以及大氣環境進行了闡述，并對環境因素對行星地表探測無人系統的影響進行了總結。然后通過對包括火星探測車的應用現狀及面臨的挑戰問題、火星無人飛行系統的研究現狀及未來技術發展進行綜合分析，提出了在進行火星等行星探測任務中發展陸空多無人協同合作系統執行深度行星地表探測的需求、關鍵技術，并結合陸空協同無人系統的SWOT分析說明未來行星探測系統采用陸空協同系統的潛在應用價值。綜合以上分析，提出了未來火星探測無人協同合作系統發展的技術特征，對關鍵技術研究發展方向以及試驗驗證研究方法設計提供了思路。

展望未來無人系統的應用發展方向，陸空協同無人探測系統的應用研究不僅能夠高效完成行星地表深度探測任務，更能夠在其他地球環境下的復雜動態任務中發揮多域無人系統協同合作的特有能力，進行陸地、水面/水下、空中乃至天基無人系統多域融合、協同合作，從而有效應對人類無法解決的極端任務，包括漫長邊境安全管控、城市應急沖突管理乃至智能化戰爭等。

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Study of the Ground-Aerial Cooperative Unmanned Systems Applications for the Exploration of Mars

WANG Tao
（School of Intelligent Engineering Systems，Sun Yet-sen University，Guangzhou 510006，China）

Abstract: Unmanned spacecraft landing on Mars to carry out complex exploration missions has become a research hotspot of international deep space exploration. Firstly，looking forward to the development trend of land air cooperative unmanned system，the research status of unmanned system technology and application in the field of land air cooperation are summarized. Then，the ground and atmospheric environment conditions of Mars are discussed，and the research of ground Rover and rotor UAV system used for Mars exploration is comprehensively reviewed，with emphasis on the research of land air autonomous cooperative unmanned system for Mars exploration technology development trend. The summary shows that in the future，developing and strengthening the capability of land and air intelligent cooperation of unmanned system is helpful to improve the execution efficiency of planetary exploration mission and enhance the survival support ability of unmanned systems.

Key words: Mars Exploration；Operation Environment；Exploration Vehicle；Unmanned Aerial Vehicle；Ground-air Cooperation；Autonomous Behavior

中圖分類號：TP24

文獻標識碼：A

文章編號：2096-5915（2020）05-01-08

［引用格式］王濤.火星探測陸空協同無人系統的研究發展分析［J］.無人系統技術，2020，3（5）：1-8.

收稿日期：2020-07-02；修回日期：2020-08-31

基金項目：國家自然科學基金（61975151）

作者簡介：

 

王 濤（1981-），男，博士，副教授，主要研究方向為無人系統認知智能、多域無人系統協同控制。