火星探測器自主光學著陸導航方法研究.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重要，已經成為深空探測任務重要的設計目標。由于火星距離地球遙遠，探測器著陸時間短，火星環(huán)境復雜多變，對探測器自主實時著陸導航提出了新的挑戰(zhàn)。本文以火星探測器下降著陸段為研究背景，對探測器位姿估計中涉及到的基礎理論和關鍵技術進行了深入的研究，致力于發(fā)展新一代精度高、自主性強、環(huán)境適應能力強的著陸導航方法，論文的主要內容包括以下幾個方面：
　　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度大小。考慮到利用路標特征點測量信息的姿態(tài)確定問題，發(fā)展了基于視線矢量觀測的姿態(tài)四元數估計算法。首先從信息融合的角度出發(fā)，將約束擴展卡爾曼濾波算法應用到狀態(tài)矢量部分受約束的乘性姿態(tài)估計中，設計了一種乘性姿態(tài)約束濾波算法。然后借鑒QUEST(Quaternion Estimator)批處理算法結構，構建廣義二次約束優(yōu)化目標函數，通過求解特征值/特征矢量問

3、題，提出了一種擴展QUEST最優(yōu)姿態(tài)估計算法。
　　結合火星軌道器獲得的高分辨率特征點三維位置信息，研究了基于光學與慣性測量信息融合的絕對導航方法。詳細推導了著陸點固連坐標系中的高精度系統(tǒng)動力學模型和測量模型。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作為狀態(tài)進行實時估計，解決了敏感器之間的空間校準。利用李導數可觀性矩陣秩條件作為數學工具，從理論上分析了組合導航系統(tǒng)的可觀性

4、。最后對著陸導航算法的精度影響因素進行了仿真驗證。
　　研究了探測器在陌生環(huán)境和有限觀測條件下的著陸導航方法。通過將相對運動測量與慣性導航相融合，提出了一種基于幀間單應變換的著陸導航算法。針對單應矩陣分解過程帶來的數值病態(tài)問題，直接將單應矩陣估計值作為測量值，構建了與狀態(tài)顯性相關的測量模型。運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測量信息。針對導航系統(tǒng)的強非線性和乘性噪聲問題，通過對采樣空間進行解耦，消除了隨機變量之間

5、的相關性。
　　研究了基于多幀圖像特征點跟蹤的著陸導航算法。首先對基于即時定位與地圖構建(Simultaneous localization and mapping, SLAM)的導航算法進行了改進，利用固定滯后平滑原理，自適應調節(jié)狀態(tài)矢量維數，提出了一種基于多幀滑動窗口優(yōu)化的著陸導航算法。為了便于在著陸過程中進行實時反饋控制，通過增加一個特征點位置延遲初始化過程，將導航求解過程和地圖構建過程解耦，設計了一種基于多目幾何約束的著陸