近距离探测主带小行星311P是天问二号的任务之一。受其极其微弱的中心引力以及不规则、间歇性的尘埃喷发活动影响，探测器在逼近与伴飞过程中将面临高度复杂且强非线性的动力学环境，传统定轨方法难以及时应对由此产生的模型失配与观测异常。武汉大学鄢建国团队提出了“不确定性感知”滤波算法，能实时辨别测量噪声或动力学异常并自适应调整滤波器，使定轨精度提高一个数量级、计算成本降低近一半，为深空探测任务提供了鲁棒高效的自主导航方案。
论文标题：Robust autonomous orbit determination with dynamical uncertainty awareness: Application to Tianwen-2 at 311P
论文作者：Wanling YANG (杨婉羚), Jianguo YAN* (鄢建国*), Shangbiao SUN (孙尚彪), Ming XU (徐明), Chongyang WANG (王重阳), Yong HUANG (黄勇), Jean-Pierre BARRIOT
作者单位：武汉大学, 北京航空航天大学, 中国科学院上海天文台, 等
出版信息：Chinese Journal of Aeronautics, 2026, 39(6): 103971. https://doi.org/10.1016/j.cja.2025.103971
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受地面无线电测控存在信号时延以及小天体环境高度复杂、多变等因素影响，深空小天体探测任务对探测器的轨道控制与导航自主性提出了更高要求。天问二号任务所瞄准的主带小行星 311P 直径仅数百米，其中心引力极其微弱，同时伴随不规则的尘埃喷发，对探测器产生难以预测的随机扰动。在这种强动态不确定性的工作环境中，传统扩展卡尔曼滤波（EKF）等定轨方法通常依赖固定的先验噪声假设，难以有效应对模型失配或突发异常观测，易导致估计性能显著下降甚至发散。若在任务执行过程中无法及时识别并抑制测量异常或未建模扰动，轨道确定精度将持续劣化，进而对飞行安全构成风险。这一问题已成为制约天问二号实现高精度自主导航的关键技术难点之一。
通过“三步走”的自适应策略——创新检验、持续性判别和物理法则噪声调整，实现对异常的实时感知与滤波参数自适应整定，提高滤波鲁棒性和一致性。
图1 不确定性感知滤波（UAF）算法流程示意图
1）提出不确定性感知滤波（UAF）框架：创新性地将 Sigma 点非线性状态传播方法与物理机制驱动的噪声自适应调整相结合。Sigma 点方法可理解为在状态误差空间中布设一组具有统计代表性的“采样点”，避免传统 EKF 的线性化误差，在强非线性和弱引力环境下保持更准确的状态传播；在此基础上，引入基于动力学不确定性的噪声调节机制，使滤波器不再依赖固定先验假设，而能够根据环境变化主动调整自身不确定性建模。
2）面向异常来源判别的实时监测与双路径噪声调控机制：UAF 在滤波运行过程中持续监控多通道观测残差的归一化统计特性，并综合其空间分布一致性与时间持续性，判断异常更可能来源于测量噪声突增还是动力学模型误差。若异常呈现为局部、短时特征，则仅对相关观测通道临时增大测量噪声以降低信任度；若异常在多通道上持续出现，则认为存在未建模外力扰动，通过提高过程噪声来放宽动力学约束。该机制避免了传统自适应滤波“统一放大噪声”的粗粒度处理，实现更有针对性的调整。
3）引入物理约束的自适应不确定性建模，提升滤波一致性与稳定性：过程噪声的自适应增强并非简单数值放大，而是基于白噪声加速度模型对未建模非引力扰动进行等效表征，使不确定性调整具有明确的物理含义。结合对异常持续性的抑制机制，UAF 能有效避免因瞬时异常导致的过度反应，相当于为滤波器引入一种“物理约束的智能缓冲机制”，在复杂、动态变化的小天体环境中保持估计结果的稳定性与统计一致性。
仿真结果系统评估了不确定性感知滤波（UAF）在天问二号 311P 近距离探测场景下的定轨性能，并与传统 EKF 与 UKF 方法进行了对比分析，主要结论如下：
1）定轨精度与计算效率的提升
在存在持续未知动力学扰动的典型工况下（等效未建模加速度量级约为10-11km/s2），UAF 在轨道预报精度方面表现出明显优势。仿真结果表明，相较于 EKF、UAF 的轨道预测误差降低了约一个数量级，显著改善了微弱引力环境下的定位精度。
图2 不同算法的定轨误差与一致性对比
同时，由于采用 Sigma 点传播避免了雅可比矩阵的计算，并在滤波过程中表现出更快的收敛特性，UAF 的整体计算开销相较 EKF 减少约 42.5%。该结果表明，在探测器算力受限的条件下，UAF 更具实时运行潜力，适合用于自主导航场景。
图3 不同算法的计算效率对比
2）对初始误差与异常扰动的鲁棒性
在初始轨道存在较大不确定性的情况下，UAF 仍表现出良好的收敛能力。当初始位置偏差在 0.5 km （x，y，z方向各0.5 km）范围内时，UAF 均能够实现稳定收敛并获得可靠的轨道解算结果，而 EKF 在相同条件下往往出现收敛缓慢或估计不稳定的问题。
图4 不同算法在较大初始轨道偏差下的定轨表现
进一步的对比试验表明，UAF 能够有效区分测量噪声突增与动力学模型误差对滤波残差的影响。当探测器遭遇局部测量异常或未知外力扰动时，滤波器会根据残差的统计特征自动选择相应的噪声调整策略，从而避免传统方法因误判异常来源而导致的发散风险。
图5 异常观测条件下 UAF 的自适应调节过程
图6 异常观测条件下 UAF 的自适应调节过程
3）轨道构型与可观测性的影响
在不同轨道高度和倾角条件下，UAF 的定轨性能呈现出明显差异。仿真分析显示，当轨道高度低于 1 km 时，由于观测几何条件显著受限，可用信息不足以支撑稳定解算，滤波性能明显下降，部分工况下甚至出现解算失败。
相比之下，当轨道高度在 3 km 以上且轨道倾角位于 60°~110° 区间时，系统可获得较好的观测几何条件和观测多样性，UAF 能够在存在模型不确定性的情况下保持稳定工作，并实现可靠的轨道估计。
图7 不同轨道高度与倾角下的观测可用性分布
针对天问二号在 311P 微小天体近距离探测中面临的弱引力、强不确定性和通信受限等挑战，提出了一种不确定性感知滤波（UAF）自主定轨方法，并通过系统仿真对其性能进行了验证。研究结果表明，该方法在定轨精度、鲁棒性与计算效率等方面均优于传统 EKF 与 UKF 算法。该研究成果可为天问二号任务的近距离自主导航提供一种具有物理解释性和工程可行性的解决方案，并对未来我国深空探测任务（如小行星或彗星采样返回任务）的自主导航系统设计具有参考价值。
杨婉羚（第一作者），武汉大学测绘遥感信息工程全高重点实验室博士研究生，主要研究方向为行星探测自主导航、深空精密定轨等。
鄢建国（通信作者），武汉大学教授，研究工作重点为行星测地学。领衔研发了自主高精度的太阳系天体历表、探测器精密定轨及动力学参数解算的综合软件平台，主持国家级项目近十项，发表专利软著20余项，论文200余篇。
孙尚彪，武汉大学测绘遥感信息工程全国重点实验室博士研究生，主要从事行星际探测器轨道跟踪数据处理、精密定轨与动力学参数解算研究，以第一作者发表学术论文8篇。
徐明，北京航空航天大学教授，现任国家卓越工程师学院副院长。主要从事航天动力学与控制、飞行器设计等科研与教学工作。发表学术论文100余篇，省部级奖励多项。
王重阳，武汉大学测绘遥感信息工程全国重点实验室博士研究生，主要从事深空探测器精密定轨与重力场解算研究。
黄勇，中国科学院上海天文台研究员，主要从事空间飞行器精密定轨及其应用研究。现任天问二号VLBI测轨分系统总师，承担多项国家级科研项目，获得“上海市科技进步一等奖”等多个荣誉称号，入选2024年度上海市东方英才计划领军项目。
Jean-Pierre Barriot，国际大地测量与深空无线电科学专家，曾任国际重力测量局台长和国际地球潮汐中心负责人，参与 Rosetta 等深空探测任务，并曾在 NASA JPL 从事研究工作。现为法属波利尼西亚大学教授、武汉大学弘毅特聘客座教授。
供稿：鄢建国
微 信 号：HKXBCJA_xiaobian
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