[發明專利]火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法及系統

在審

• 申請號: 201310377389.7
• 申請日: 2013-08-27
• 公開（公告）號: CN104423273A
• 公開（公告）日: 2015-03-18
• 發明（設計）人: 朱恩陽;劉宇;董豐;譚天樂;侯建文;王欽
• 申請（專利權）人: 上海新躍儀表廠
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02;G01C21/24
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 金家山

1.一種火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法，其特征在于，包括：

軌道發生器模塊獲取火星探測器在火星J2000坐標系中的理論位置和理論速度，根據所述理論位置獲取火星的仿真圖像，并將火星的仿真圖像投影到光學系統導航模塊的屏幕上；

光學系統導航模塊的相機電路通過一光學鏡頭對所述屏幕的投影進行采集以獲取火星的模擬圖像，光學系統導航模塊的圖像預處理單元使用Sobel算子對所述火星的模擬圖像進行邊緣檢測，光學系統導航模塊的圖像質心提取單元根據所述邊緣檢測的結果并使用最小二乘法獲取所述火星的模擬圖像的圓心；

自主導航模塊獲取火星探測器的位置初始值和速度初始值，根據所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模擬圖像的圓心，并使用UKF濾波方法獲取火星探測器的濾波解算位置和濾波解算速度。

2.如權利要求1所述的火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法，其特征在于，自主導航模塊使用UKF濾波方法獲取火星探測器的濾波解算位置和濾波解算速度的步驟之后還包括：

輸出顯示模塊實時顯示當前的理論位置和理論速度，并根據所述理論位置和理論速度繪制所述火星探測器的三維理論運動軌跡，及實時顯示當前的濾波解算位置和濾波解算速度，并根據所述濾波解算位置和濾波解算速度繪制所述火星探測器的三維濾波運動軌跡。

3.如權利要求2所述的火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法，其特征在于，根據所述理論位置和理論速度繪制所述火星探測器的三維理論運動軌跡和根據所述濾波解算位置和濾波解算速度繪制所述火星探測器的三維濾波運動軌跡的步驟中，使用STK提供的C#控件AGI?Global?Control?9繪制所述火星探測器的三維理論運動軌跡和三維濾波運動軌跡。

4.如權利要求1所述的火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法，其特征在于，軌道發生器模塊獲取火星探測器在火星J2000坐標系中的理論位置和理論速度的步驟中，根據火星探測器在火星J2000坐標系中的深空軌道力學模型獲取所述理論位置和理論速度，所述深空軌道力學模型如下：

?????其中，R和V分別表示火星探測器在火星系中的理論位置和理論速度的矢量，r?=||?R?||；

表示火星的引力常數和表示太陽、地球或木星的引力常數；

表示太陽、地球或木星在火星J2000坐標系中的位置矢量，；

表示太陽、地球或木星相對火星探測器的位置矢量，即，；

表示除太陽、地球或木星之外的其他外力對火星探測器產生的加速度。

5.如權利要求4所述的火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法，其特征在于，軌道發生器模塊根據所述理論位置獲取火星的仿真圖像的步驟包括：

軌道發生器模塊根據火星探測器在火星J2000坐標系中的理論位置的矢量R獲取火星相對于火星探測器的位置(X，Y，Z)，根據火星探測器的位置(X，Y，Z)和所述光學系統導航模塊的光學鏡頭的焦距f得出火星在所述光學鏡頭的成像平面的坐標、和半徑，其中，和表示火星表面任一點的坐標，表示火星的半徑，根據所述、和并結合所述光學鏡頭的成像平面到仿真圖像的像素坐標對應倍數k即可得到火星在仿真圖像中的像素坐標和半徑，其中，k的單位為pixel/mm，然后由所述火星在仿真圖像中的像素坐標和半徑獲取火星的仿真圖像。

6.如權利要求5所述的火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法，其特征在于，光學系統導航模塊的圖像預處理單元使用Sobel算子對所述火星的模擬圖像進行邊緣檢測的步驟包括：

所述Sobel算子為?，利用所述Sobel算子獲取火星在所述光學鏡頭的成像平面的所有邊緣坐標點（，），其中表示任意一個像素點及其周邊8個像素點所構成的一個像素值矩陣；

根據公式獲取所有矯正后的邊緣坐標點（，），其中，~分別表示圖像橫坐標矯正系數，這些系數可以預先測定，~分別表示圖像縱坐標矯正系數，這些系數可以預先測定；

從所有矯正后的邊緣坐標點（，）中隨機抽取三個點計算其形成的圓的圓心坐標和半徑，并計算在給定誤差范圍內的其余的矯正后的邊緣坐標點的個數，當所述個數大于一預設閾值時即認為該圓是由火星的邊緣形成的圓，否則重新隨機抽取三個點計算在給定誤差范圍內的其余的矯正后的邊緣坐標點的個數，直到所述個數大于一預設閾值。