[發(fā)明專利]地外天體著陸自主光學(xué)導(dǎo)航特征綜合優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911007411.2
• 申請日: 2019-10-22
• 公開（公告）號: CN110702122B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 崔平遠(yuǎn);高錫珍;朱圣英;徐瑞;梁子璇
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24;G01C11/04;G06F17/16
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明涉及一種地外天體著陸自主光學(xué)導(dǎo)航特征綜合優(yōu)化方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先利用星表圖像信息建立不同幾何特性陸標(biāo)的觀測方程，利用Fisher信息矩陣分析導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測度和估計誤差下限，在此基礎(chǔ)上以導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度和估計誤差下限為評價指標(biāo)對隨機分布的特征點陸標(biāo)進行優(yōu)化，同時對不同導(dǎo)航陸標(biāo)特征點和曲線進行最優(yōu)選取，提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度，保證導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法利用導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度和估計誤差下限為評價指標(biāo)對隨機分布的特征點陸標(biāo)進行優(yōu)化，同時對不同導(dǎo)航陸標(biāo)特征點和曲線進行最優(yōu)選取，提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度。本發(fā)明的方法不僅適用于行星著陸任務(wù)中，也適用于小天體著陸任務(wù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種地外天體著陸自主光學(xué)導(dǎo)航特征綜合優(yōu)化方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

著陸探測及采樣返回是未來深空探測的主要發(fā)展方向。未來的小天體及火星探測任務(wù)都要求探測器具備在科學(xué)價值較高的區(qū)域精確定點著陸的能力。而目標(biāo)天體距離地球較遠(yuǎn)，通訊時延嚴(yán)重，這就要求探測器具備自主導(dǎo)航的能力。同時，目標(biāo)天體環(huán)境的先驗信息不足、環(huán)境擾動等不確定性對自主導(dǎo)航系統(tǒng)提出了更高的要求。

目前著陸過程中主要采用基于慣性測量單元IMU航位遞推的導(dǎo)航方法，但該方法無法對初始偏差進行修正，且慣性測量單元存在隨機漂移和誤差，隨著時間的累積誤差會逐漸擴散，難以滿足高精度導(dǎo)航的要求。針對上述導(dǎo)航方法存在的不足，基于天體表面特征圖像信息的自主視覺導(dǎo)航方法逐漸成為各國學(xué)者研究的重點。按照天體表面特征類別不同，基于天體表面特征圖像信息的自主視覺導(dǎo)航方法主要分為兩類：第一類是利用特征點(如角點，巖石等)匹配的導(dǎo)航方法；第二類是利用特征線(如隕石坑、溝壑等)匹配的導(dǎo)航方法。鑒于此，有必要針對著陸器運動狀態(tài)估計這一問題，選取最優(yōu)的導(dǎo)航陸標(biāo)，優(yōu)化行星著陸視覺導(dǎo)航方案，有助于實現(xiàn)著陸過程的高精度導(dǎo)航，保證著陸器精確安全著陸。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決星際著陸自主導(dǎo)航中自主視覺導(dǎo)航過程中的問題，本發(fā)明目的是提供地外天體著陸自主光學(xué)導(dǎo)航特征綜合優(yōu)化方法，基于Fisher信息矩陣分析導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測度和估計誤差下限，對隨機分布的特征點陸標(biāo)進行優(yōu)化，同時對不同導(dǎo)航陸標(biāo)特征點和曲線進行了最優(yōu)選取，保證著陸器精確安全著陸。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明公開的地外天體著陸自主光學(xué)導(dǎo)航特征綜合優(yōu)化方法，首先利用星表圖像信息建立不同幾何特性陸標(biāo)的觀測方程，利用Fisher信息矩陣分析導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測度和估計誤差下限，在此基礎(chǔ)上以導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測度和估計誤差下限為評價指標(biāo)對隨機分布的特征點陸標(biāo)進行優(yōu)化，同時對不同導(dǎo)航陸標(biāo)特征點和曲線進行最優(yōu)選取，提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度，保證導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

地外天體著陸自主光學(xué)導(dǎo)航特征綜合優(yōu)化方法，包括如下步驟：

1、地外天體著陸自主光學(xué)導(dǎo)航特征綜合優(yōu)化方法，包括如下步驟：

步驟1：建立基于特征點的自主視覺導(dǎo)航觀測模型。

采用小孔成像模型，著陸平面上的任一特征點p_j在第i幅下降圖像中的觀測值為

其中f為相機焦距，和表示觀測值在圖像坐標(biāo)系下的分量，和表示特征點p_j在相機坐標(biāo)系下的三軸分量；

其中，表示特征點p_j在相機坐標(biāo)系下的位置矢量，q_i表示姿態(tài)四元數(shù)，C(q_i)表示著陸點坐標(biāo)系到著陸器本體系轉(zhuǎn)換的方向余弦陣，^Lx_j表示特征點p_j在著陸點坐標(biāo)下的位置矢量，^Lr_i表示著陸器在著陸點坐標(biāo)下的位置矢量。

基于特征點的自主視覺導(dǎo)航觀測模型為