深空探测 | 国内外行星探测进展及轨控技术浅析
自1960年起，美国国家航空航天局（NASA）、俄罗斯航天国家集团（Roscosmos）、欧洲航天局（ESA）等机构对太阳系内各大行星和部分小行星展开了百余次探测任务，成功率不断提高。我国也逐步加强对行星探测的研究，正式启动中国行星探测工程，并且成功完成了天问一号火星探测任务。为了对太阳系行星探测任务进展有一个全面的了解，本文调研分析了国际主要国家/地区行星探测任务的探测目标、实施次数、成功率等数据，并统计了国际上未来5年的行星探测任务规划；同时分析了轨道设计与控制技术，总结了行星探测轨道设计与控制技术特点与难点。为追寻人类起源和发掘太空稀缺资源，在过去60多年时间里，各国家/地区持续开展深空探测技术研究和试验探测任务，尤其是在行星探测任务中取得了一系列技术进展和突破。这使得人类对太阳系内外的认知不断提升，同时也推动着空间科学与技术的不断创新。近年来，国际上主要航天强国不断加大行星探测的力度，陆续发布了其未来探测和研究行星的长期规划。2022年，美国国家科学院提出了关于火星探测的优先建议；2021年，ESA科学计划委员会正式宣布在2035-2050年重点开展巨行星卫星探测等大型任务；2019年，俄罗斯制定草案提出了2019-2040年月球探测详细计划；日本提出了“火星卫星探测计划”（MMX），计划于2026年10月发射；印度也提出了其国内首次金星探测计划，计划在2028年发射。我国在行星探测研究中稳扎稳打，稳步推进中国行星探测工程重要项目。为了推动我国空间科学、空间技术、空间应用的高质量发展，中国科学院等多家单位在2024年10月联合发布了《国家空间科学中长期发展规划（2024-2050年）》，规划提出了“宜居行星”主题的重点发展方向，包括火星宜居、小行星/彗星起源与演化等内容。国外行星探测工程研究进展1960年，苏联发射了第一颗行星探测器火星-1A（Mars - 1A），尽管此次任务失败，但开启了人类对深空行星探测之旅。截至2024年底，国际上其他国家/地区共执行约133次行星探测任务，其中金星探测任务46次，木星探测任务11次，水星探测任务3次，火星探测任务47次，土星探测任务4次，其他行星（天王星、海王星及矮行星）探测任务4次，小行星探测任务18次。下文从不同维度对历年国际上行星探测任务进行统计分析。
（1）国际上行星探测任务呈现数量下降、成功率稳步上升态势图1统计结果表明，20世纪60年代，国际上行星探测任务次数高达34次，成功次数仅9次，成功率为26.47%；20世纪70年代，探测任务数量与60年代持平，该阶段成功率大幅度提升，成功率达82.35%，成功率上升。分析其原因，一是对前期科学经验的总结，二是导航、通信、制造等技术的进步。自20世纪80年代始，行星探测任务数量开始大幅度下降，但成功率基本在90%以上，20世纪90年代除外（66.67%）。（2）国际上金星和火星探测任务数量遥遥领先图2统计结果表明，除金星和火星探测任务外，其余行星探测成功率均为100%，这类行星探测数量总计为40次；金星探测任务次数为46次，成功28次，成功率为60.87%；火星探测任务次数为47次，成功26次，成功率为55.32%。金星和火星探测任务成功率较低的原因主要是人类早期受技术水平限制，但选择距离地球最近的金星和火星为试验目标，为后续其他行星探测积累了宝贵的技术经验。（3）NASA和Roscosmos行星探测次数名列前茅图3统计结果表明，NASA行星探测任务次数最多，高达63次，贡献率占比47.37%；Roscosmos行星探测次数紧随NASA，52次，贡献率为39.1%；第三名为ESA，探测次数为11次，占比8.27%；第四名为日本宇宙航空研究开发机构（JAXA），探测次数为5次，占比3.76%；第五名为印度空间研究组织（ISRO）和阿联酋航天局（UAESA），均进行了1次行星探测任务，各占比0.75%。受早期冷战时期太空竞赛的影响，NASA和Roscosmos（含苏联）频繁开展各类行星探测任务；随着行星探测技术的日趋成熟，以及国际合作与政策的支持，ESA、JAXA、ISRO、UAESA等国家/地区的航天机构也加入到行星探测行列中，并取得一些可观的成果。图3 各国家/地区历年行星探测任务数量及贡献率统计金星和火星作为距离地球最近的2颗行星，各国家/地区对其尤为关注，也是图2中任务探测数量最多的2颗行星。下文对金星和火星行星探测任务进行细化分析，统计内容包括探测任务的所属国家/地区、各国家/地区历年探测任务数量、成功率，具体见图4、5。图4 各国家/地区历年金星探测任务数量及总成功率统计图5 各国家/地区历年火星探测任务数量及总成功率统计（4）20世纪90年代起，金星探测任务关注度极低图4统计结果表明，各国家/地区对金星探测任务数量逐渐减少，而成功率却不断提升，自20世纪80年代以来，成功率始终维持在100%；Roscosmos金星探测数量最多，共计32次，主要集中在20世纪60～80年代，数量逐渐降低，但成功率却稳步提升；金星探测任务量排名第二的是NASA，共计11次；ESA和JAXA分别进行了2次、1次金星探测任务。金星的极端高温等环境，以及宜居性低，导致近30年来人类对其关注度极低，探测任务数量极少。
（5）20世纪90年代起，火星探测任务关注度日趋高涨图5统计结果表明，各国家/地区对火星探测任务的数量有所减少，成功率在20世纪之前一直处于较低水平，直到2000年之后，成功率才升至80%以上；Roscosmos和NASA的火星探测数量最多，均为20次；火星探测任务量排名第二的是ESA，共计4次；JAXA、ISRO和UAESA分别进行了1次火星探测任务。火星与地球环境的相似度较高，并具有潜在宜居性，近年来引起很多国家/地区竞相加入火星探测任务中。
（6）未来5年国际上火星探测热度持续上升根据统计数据表明，2025-2029年国际上主要行星探测任务/计划（不包括月球、彗星）共计8次，其中NASA探测任务4次，ESA探测任务2次，JAXA和ISRO探测任务各1次。主要任务详情如表1所示，NASA稳居榜首，欧盟稳步推进，其他国家/地区参与度也越来越紧密。国内行星探测工程任务进展图6展示了中国行星探测工程“天问”系列的实施路线图：天问一号实施首次火星探测任务，工作内容包括绕火、着陆和巡视探测，并于2021年6月11日完成了既定探测任务；2025年5月29日发射的天问二号探测任务，其主要工作由两部分组成，一是将对近地2016 HO3小行星展开抵近环绕、附着、采样返回活动，二是对311P主带彗星展开环绕探测活动；预计2028年发射的天问三号任务，通过实施火星环绕、表面软着陆、表面探测和取样、表面起飞上升、环火轨道交会及样品转移、火星返回等过程，实现火星取样返回；天问四号预计在2030年前后实施，将开展木星系环绕及天王星飞越探测。大行星（如火星）和小行星由于质量和引力悬殊，其探测任务采用的轨道控制技术具有明显不同，下文分别介绍大行星（以火星为例）和小行星探测的轨道控制相关技术。大行星探测轨道控制技术以火星探测为例，其轨道控制主要包括离开地球轨道的转移飞行、到达火星轨道的制动捕获、由捕获轨道变轨到目标轨道三个阶段。
（1）离开地球轨道的转移飞行阶段在离开地球轨道的转移飞行阶段，有直接奔火和调相奔火两种奔火方式。直接奔火（图7）就是直接将探测器送入奔火轨道，并且达到超过11.2km/s的第二宇宙速度。这就要求运载火箭具备强大的推力，同时运载发射要有极高的精度控制能力，才能确保探测器准确进入预定轨道。如果入轨点存在误差，探测器可能需要在奔火巡航阶段进行额外的轨道修正，并且消耗更多燃料。美国火星探测器发射经常采用这种方式。中国在天问一号火星探测任务中，也采用了直接奔火的策略。调相奔火（图8）就是探测器先入近地驻留轨道，绕地球飞行数圈完成调相后加速奔火。入调相轨道后，进行精密定轨以确保控制精度，随后加速奔火。俄罗斯已经在多次火星探测器发射中采用了这种方式。（2）到达火星轨道的制动捕获阶段火星制动捕获阶段是指探测器在接近火星时，通过主发动机持续点火进行大幅度减速，将探测器的速度从行星际高速状态降到火星引力可捕获的速度范围内。在制动捕获阶段，探测器需要持续发射高精度无线电信号，这样地面测控系统才能够实时监测探测器的位置和速度矢量，然后精确计算其轨道参数。探测器必须在15min左右的“捕获窗口”内，将速度从约28km/s降低到约1km/s，否则可能因速度过高而脱离火星引力范围，导致任务失败。由于探测器与地球通信延迟长达10min以上，必须依赖自主控制系统完成发动机点火与关机操作。在精确控制点火时机与持续时间的同时，还要克服外部扰动影响，确保点火方向与时长的精准性。
（3）由捕获轨道变轨到目标轨道阶段最开始的捕获轨道与最终工作的目标轨道存在很大差异，需要通过高精度轨道确定算法与实时探测数据融合技术，经过多次迭代优化控制，逐步调整到目标轨道参数。探测器在目标轨道上保持稳定运行后，还需要持续对探测器的轨道进行监测、维护，以保证轨道的长期维持，并应对突发情况。小行星探测轨道控制技术小行星最大的外形特点是形状不规则，导致其引力场不规则，其引力场计算不再适用于传统方法。小行星探测任务相比月球、火星探测，存在弱引力、星壤特性未知等特点，且最远距离地球5亿千米，通信单程时延最长可达28min（以天问二号探测任务为例），这造成了小行星探测轨道设计和控制的复杂性。
小行星探测轨道控制主要涉及转移段和环绕段。下面分别介绍转移段轨道控制和环绕段轨道控制的相关技术。
（1）转移段轨道控制以天问二号为例，借助一次发射，同时完成近地小行星与主带彗星两类探测任务，实现三种任务模式（伴飞、采样、返回），图9展示了天问二号2016 HO3小行星探测及311P主带彗星探测轨道转移过程。2025年5月29日发射的天问二号探测器，计划经过约1年的2016 HO3小行星轨道转移，探测器首先进入小行星接近段轨道，与小行星交会，开展为期约1年的小行星近距离探测作业，进行采样后待命返回。随后，探测器将经历大约半年的返回轨道转移，最终返回舱进入地球大气层的再入返回轨道段并着陆地球，完成采样返回；此后轨道经过约7年的311P主带彗星轨道转移段，接近并完成与主带彗星的交会，然后开展后续近距离探测，整个任务周期将超过10年。在天问二号探测任务中，探测器的着陆精度需要优于1m，这需要非常精确的姿态与轨道控制。可通过高分辨率图像匹配导航技术，结合六自由度精确附着控制算法，以及视线导航与轨迹机动一体化设计。在返回阶段，样本舱将以12.1km/s的高速再入地球大气层。为确保轨迹精准性，需对入轨、再入及着陆点等关键参数进行实时动态修正，同时结合高精度制导与控制技术，保障高速再入过程的稳定性。此外，通过多传感器数据融合与机器视觉技术，可进一步提升自主导航精度与着陆可靠性，增强返回舱对复杂环境的适应能力，确保任务全流程的高可靠性与自主性。
（2）环绕段轨道控制小行星由于质量小、形状不规则，造成其引力场复杂多变。这会导致环绕轨道极其不稳定，需要对可能的环绕轨道稳定性进行分析，确定伴飞轨道安全、可持续。根据小行星的特性，同时考虑探测需求、轨道维持难度等因素，可以选择不同类型的伴飞轨道，如近圆轨道、椭圆轨道、不规则轨道等。由于小行星引力微弱且不规则，探测器需要频繁进行轨道微调，以保持伴飞状态。可以通过推力器进行小幅度机动，或利用小行星的非球形引力场效应进行自然轨道调整。此外，还需要设计灵活的轨道机动策略，以应对突发情况或探测需求变化。在环绕段，探测器需要执行详细的科学观测计划，包括小行星表面形貌、成分分析、磁场测量、温度分布等。这些观测需要探测器在最佳位置进行数据采集，同样依赖于精确的轨道控制。行星探测轨控技术难点综合前文，可以发现，在行星探测轨道控制方面，存在以下技术难点：
① 由于行星探测任务通常远离地球，地面测控困难，通信延迟大，探测器需要具备自主导航定位能力，实时确定自身的位置和姿态；
② 深空探测器需具备高度自主性，在长时间无监控状态下运行并开展科学探测时，除自主确定飞行姿态和轨道外，还应自主监测工作状态，自主决策任务，且具备在轨故障定位、诊断和修复能力；
③ 与远在数亿千米外的深空探测器建立测控通信，其要求远超地球航天器间的测控通信水平，必须运用前沿技术，强化通信链路效能，提升测控精准度，以匹配深空探测任务日益增长且不断进阶的需求。近年来，随着全球深空探测活动的深入开展，亟需在星地通信、信息回传等核心技术领域取得突破性进展，以应对星际间通信时延长、信道容量受限等技术瓶颈。随着量子计算与新型通信技术，以及基于星载边缘计算的自主导航技术的发展，新一代深空探测系统将在轨道控制、数据传输以及自主导航等方面实现质的飞跃，为拓展人类宇宙认知奠定坚实的技术基础。
