火星探測器自主光學(xué)著陸導(dǎo)航方法研究.pdf

1、探測器自主著陸能力對于星體安全著陸與采樣返回至關(guān)重要，已經(jīng)成為深空探測任務(wù)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于火星距離地球遙遠(yuǎn)，探測器著陸時(shí)間短，火星環(huán)境復(fù)雜多變，對探測器自主實(shí)時(shí)著陸導(dǎo)航提出了新的挑戰(zhàn)。本文以火星探測器下降著陸段為研究背景，對探測器位姿估計(jì)中涉及到的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，致力于發(fā)展新一代精度高、自主性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的著陸導(dǎo)航方法，論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　研究了基于視線矢量觀測的探測器姿態(tài)確定方法。

2、針對非線性測量模型選取問題，利用微分幾何曲率測量理論，定量比較了兩種測量模型的非線性強(qiáng)度大小?？紤]到利用路標(biāo)特征點(diǎn)測量信息的姿態(tài)確定問題，發(fā)展了基于視線矢量觀測的姿態(tài)四元數(shù)估計(jì)算法。首先從信息融合的角度出發(fā)，將約束擴(kuò)展卡爾曼濾波算法應(yīng)用到狀態(tài)矢量部分受約束的乘性姿態(tài)估計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種乘性姿態(tài)約束濾波算法。然后借鑒QUEST(Quaternion Estimator)批處理算法結(jié)構(gòu)，構(gòu)建廣義二次約束優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過求解特征值/特征矢量問

3、題，提出了一種擴(kuò)展QUEST最優(yōu)姿態(tài)估計(jì)算法。
　　結(jié)合火星軌道器獲得的高分辨率特征點(diǎn)三維位置信息，研究了基于光學(xué)與慣性測量信息融合的絕對導(dǎo)航方法。詳細(xì)推導(dǎo)了著陸點(diǎn)固連坐標(biāo)系中的高精度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和測量模型。針對不同測量頻率的敏感器信息融合，提出了一種處理測量延遲的狀態(tài)矢量增廣算法。并將6自由度相對位姿參數(shù)作為狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，解決了敏感器之間的空間校準(zhǔn)。利用李導(dǎo)數(shù)可觀性矩陣秩條件作為數(shù)學(xué)工具，從理論上分析了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀性

4、。最后對著陸導(dǎo)航算法的精度影響因素進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
　　研究了探測器在陌生環(huán)境和有限觀測條件下的著陸導(dǎo)航方法。通過將相對運(yùn)動(dòng)測量與慣性導(dǎo)航相融合，提出了一種基于幀間單應(yīng)變換的著陸導(dǎo)航算法。針對單應(yīng)矩陣分解過程帶來的數(shù)值病態(tài)問題，直接將單應(yīng)矩陣估計(jì)值作為測量值，構(gòu)建了與狀態(tài)顯性相關(guān)的測量模型。運(yùn)用圖像拼接來增加圖像重疊區(qū)域，提高了可利用的特征點(diǎn)測量信息。針對導(dǎo)航系統(tǒng)的強(qiáng)非線性和乘性噪聲問題，通過對采樣空間進(jìn)行解耦，消除了隨機(jī)變量之間

5、的相關(guān)性。
　　研究了基于多幀圖像特征點(diǎn)跟蹤的著陸導(dǎo)航算法。首先對基于即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous localization and mapping, SLAM)的導(dǎo)航算法進(jìn)行了改進(jìn)，利用固定滯后平滑原理，自適應(yīng)調(diào)節(jié)狀態(tài)矢量維數(shù)，提出了一種基于多幀滑動(dòng)窗口優(yōu)化的著陸導(dǎo)航算法。為了便于在著陸過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制，通過增加一個(gè)特征點(diǎn)位置延遲初始化過程，將導(dǎo)航求解過程和地圖構(gòu)建過程解耦，設(shè)計(jì)了一種基于多目幾何約束的著陸