基于光學(xué)測(cè)量的相對(duì)導(dǎo)航方法及在星際著陸中的應(yīng)用研究.pdf

1、探測(cè)器在行星表面實(shí)現(xiàn)自主的精確著陸（Pin-point landing）是一項(xiàng)富于挑戰(zhàn)性的任務(wù)，探測(cè)器必須具備精確相對(duì)導(dǎo)航的能力。傳統(tǒng)的基于航位推算的星際著陸導(dǎo)航方式無法滿足未來星際精確著陸任務(wù)對(duì)著陸精度的要求，因此有必要發(fā)展新一代基于光學(xué)測(cè)量的星際著陸相對(duì)導(dǎo)航方法。
　　本學(xué)位論文結(jié)合“十五”863計(jì)劃項(xiàng)目——“深空探測(cè)自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”，從光學(xué)測(cè)量相對(duì)導(dǎo)航方法和軟著陸小行星自主導(dǎo)航半物理仿真兩方面出發(fā)，對(duì)基于光學(xué)測(cè)量的相

2、對(duì)導(dǎo)航方法及其在星際精確著陸任務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　首先，基于探測(cè)器和目標(biāo)天體表面特征點(diǎn)之間的矢量觀測(cè)，提出了一種基于矢量測(cè)量的自主相對(duì)導(dǎo)航方法。通過光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)和激光測(cè)距儀組合測(cè)量輸出構(gòu)建探測(cè)器到三個(gè)非共線的特征點(diǎn)之間矢量，進(jìn)而構(gòu)建特征點(diǎn)固連坐標(biāo)系和定義于著陸點(diǎn)固連坐標(biāo)系下探測(cè)器的相對(duì)位置和姿態(tài)。為了解決導(dǎo)航過程中可能發(fā)生的由于特征點(diǎn)逸出相機(jī)視場(chǎng)導(dǎo)致導(dǎo)航失敗的難題，發(fā)展了基于特征點(diǎn)跟蹤、繼

3、承的自主光學(xué)相對(duì)導(dǎo)航算法。
　　其次，基于探測(cè)器和目標(biāo)天體表面特征點(diǎn)之間的視線（方向矢量）觀測(cè)，提出了一種基于視線測(cè)量的自主相對(duì)導(dǎo)航方法。通過對(duì)四個(gè)或者四個(gè)以上的視線的觀測(cè)，借助非線性估計(jì)理論的批處理算法和導(dǎo)航濾波算法，唯一地確定了探測(cè)器的六自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)—相對(duì)位置和姿態(tài)。為了克服高斯最小二乘微分修正算法存在的由于初值偏離真實(shí)值較大而導(dǎo)致收斂困難的問題，發(fā)展了視線測(cè)量相對(duì)導(dǎo)航的龍貝格－馬爾塔算法。
　　接著，對(duì)視線測(cè)量相對(duì)導(dǎo)

4、航系統(tǒng)的可觀性問題進(jìn)行了深入的分析研究。以共線方程作為觀測(cè)模型，利用極大似然估計(jì)得到了相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)滿足克拉馬－羅下邊界的最優(yōu)誤差方差陣和費(fèi)歇爾信息陣。通過對(duì)費(fèi)歇爾信息陣的秩、特征值和特征向量的分析，深入研究了不同視線測(cè)量數(shù)目條件下的相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀性和可觀度，并借助于Matlab Symbolic Toolbox提供的符號(hào)計(jì)算功能驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　然后，為了克服光學(xué)導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航在實(shí)際應(yīng)用中各自存在的缺點(diǎn)和不足，發(fā)展

5、了光學(xué)測(cè)量輔助的星際軟著陸慣性導(dǎo)航方法。利用光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)識(shí)別、跟蹤目標(biāo)天體表面的自然特征點(diǎn)，通過導(dǎo)航濾波融合慣性測(cè)量單元輸出和光學(xué)導(dǎo)航量測(cè)，有效地修正慣性測(cè)量單元的常值偏差和避免光學(xué)導(dǎo)航中存在的由于跟蹤目標(biāo)丟失導(dǎo)致導(dǎo)航中斷現(xiàn)象的發(fā)生。
　　最后，結(jié)合“十五”863計(jì)劃項(xiàng)目——“深空探測(cè)自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”，在上述研究成果基礎(chǔ)上，建立了基于光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)/小行星地貌模擬器和Matlab/Simulink/dSPACE集成仿真環(huán)境的