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

1、探測器在行星表面實現(xiàn)自主的精確著陸（Pin-point landing）是一項富于挑戰(zhàn)性的任務(wù)，探測器必須具備精確相對導(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)對著陸精度的要求，因此有必要發(fā)展新一代基于光學(xué)測量的星際著陸相對導(dǎo)航方法。
　　本學(xué)位論文結(jié)合“十五”863計劃項目——“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”，從光學(xué)測量相對導(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)，對基于光學(xué)測量的相

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

3、承的自主光學(xué)相對導(dǎo)航算法。
　　其次，基于探測器和目標(biāo)天體表面特征點之間的視線（方向矢量）觀測，提出了一種基于視線測量的自主相對導(dǎo)航方法。通過對四個或者四個以上的視線的觀測，借助非線性估計理論的批處理算法和導(dǎo)航濾波算法，唯一地確定了探測器的六自由度運動狀態(tài)—相對位置和姿態(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值較大而導(dǎo)致收斂困難的問題，發(fā)展了視線測量相對導(dǎo)航的龍貝格－馬爾塔算法。
　　接著，對視線測量相對導(dǎo)

4、航系統(tǒng)的可觀性問題進行了深入的分析研究。以共線方程作為觀測模型，利用極大似然估計得到了相對導(dǎo)航系統(tǒng)滿足克拉馬－羅下邊界的最優(yōu)誤差方差陣和費歇爾信息陣。通過對費歇爾信息陣的秩、特征值和特征向量的分析，深入研究了不同視線測量數(shù)目條件下的相對導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀性和可觀度，并借助于Matlab Symbolic Toolbox提供的符號計算功能驗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)航在實際應(yīng)用中各自存在的缺點和不足，發(fā)展

5、了光學(xué)測量輔助的星際軟著陸慣性導(dǎo)航方法。利用光學(xué)導(dǎo)航相機識別、跟蹤目標(biāo)天體表面的自然特征點，通過導(dǎo)航濾波融合慣性測量單元輸出和光學(xué)導(dǎo)航量測，有效地修正慣性測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計劃項目——“深空探測自主技術(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/小行星地貌模擬器和Matlab/Simulink/dSPACE集成仿真環(huán)境的