[發明專利]一種面向深空探測光學導航的短弧橢圓擬合優化方法

有效

• 申請號: 202010606903.X
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111780745B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 李爽;胡茄乾;朱慶華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02;G01C21/24
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開了一種面向深空探測光學導航的短弧橢圓擬合優化方法，步驟如下：通過星歷查詢獲得整個行星目標邊緣的投影橢圓和模擬理論成像弧段；利用最小二乘橢圓擬合算法擬合上述獲得的整個行星目標邊緣的投影橢圓以獲取擬合方程，從擬合方程的參數中提取橢圓的形狀信息；獲得帶形狀先驗的橢圓標準方程，用列文伯格?馬夸爾特方法對該帶形狀先驗的橢圓標準方程進行優化，以實現對模擬的相機實際成像弧段的擬合。本發明通過引入星歷查詢的方法，將行星目標邊緣投影橢圓的形狀先驗信息引入橢圓的標準方程，通過帶有先驗信息的優化方法實現對帶有誤差的短弧的高精度擬合。

技術領域

本發明屬于導航制導與控制技術領域，具體涉及一種面向深空探測光學導航的短弧橢圓擬合優化方法。

背景技術

在深空探測任務中，探測器的導航系統是決定探測任務能否成功的關鍵因素之一。目前的深空探測任務，大都以地面測控的方式對探測器進行測控與導航，但是該方法成本高且通訊延時大。隨著未來的深空探測任務變得更加復雜和具有挑戰性，地面測控的方式將難以滿足探測器的導航和控制需求。而自主導航對于深空探測而言是一種獨立于地面測控的理想導航方法，探測器的自主導航不依賴地面深空網測控系統的支持，利用探測器自身搭載的測量手段和導航控制計算系統測定探測器自身位置速度等狀態信息。而其中基于光學成像的自主導航技術因為其成本低、易實現等優點，成為了自主導航中最有希望的一種，并且已經在許多深空探測任務中做了嘗試。例如，1998年，美國深空一號(Deep?Space1)探測器利用搭載的相機對小行星進行拍照，并結合得到圖像中的恒星背景實現了深空探測器巡航階段中的自主導航。2005年，日本隼鳥號小行星探測器根據預先投擲在小行星上的導航信標，融合使用光學敏感器、雷達測距儀及激光測距儀進行自主導航，成功實現了與Itokawa小行星的交會和自主著陸。

在光學自主導航中，一步很重要的工作是對提取的目標邊緣做橢圓擬合。絕大部分目前已有的研究中都采用了最小二乘算法來實現對目標邊緣的擬合，在一些工作中甚至直接采用了圓擬合。最小二乘算法計算簡單而且容易在工程上實現，但是在深空探測任務中，提取出的目標的邊緣通常不是完整的，甚至只有一小段弧度，并且提取的邊緣數據還存在誤差。最小二乘算法在擬合弧度較小并且擬合數據帶誤差時會產生較大的橢圓擬合誤差甚至會直接失效，這極大地影響了光學自主導航的可用范圍和精度。

發明內容

針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種面向深空探測光學導航的短弧橢圓擬合優化方法，以解決現有技術在深空探測光學導航中，因提取的目標邊緣弧度過小且帶有誤差而導致的橢圓擬合精度較低甚至直接失效的問題。本發明通過引入星歷查詢的方法，將行星目標邊緣投影橢圓的形狀先驗信息引入橢圓的標準方程，通過帶有先驗信息的優化方法實現對帶有誤差的短弧的高精度擬合。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明的一種面向深空探測光學導航的短弧橢圓擬合優化方法，步驟如下：

1)通過星歷查詢結合航天器的自身位姿，獲得整個行星目標邊緣的投影橢圓和模擬理論成像弧段；

2)利用最小二乘橢圓擬合算法擬合上述步驟1)中獲得的整個行星目標邊緣的投影橢圓以獲取擬合方程，從擬合方程的參數中提取橢圓的形狀信息；

3)將上述形狀信息引入橢圓的標準方程，獲得帶形狀先驗的橢圓標準方程，用列文伯格-馬夸爾特方法對該帶形狀先驗的橢圓標準方程進行優化，以實現對模擬的相機實際成像弧段的擬合。

進一步的，所述步驟1)中整個行星目標邊緣的投影橢圓獲得過程如下：

通過查詢星歷獲得行星目標在慣性坐標系下表面的坐標P＝[X_w,Y_w,Z_w]，通過投影成像原理把行星目標表面坐標投影到相機的像素坐標系上，得到點P＝[u,v]^T；相機的投影原理如下式所示：