[发明专利]基于观测矩阵的深空探测器自主导航路标选取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于观测矩阵的深空探测器导航路标选取方法，特别适用 于利用三个路标进行深空探测器位置和姿态自主确定的导航系统，属于自主导 航领域。

背景技术

近目标天体飞行将是未来深空探测最复杂的任务之一，由于通信延迟及深 空动力学环境的复杂性，采用传统的基于地面遥控的导航、控制模式已无法满 足实现高精度探测的需要，这要求探测器必须具有自主导航功能。由于惯性测 量单元存在常值偏差和漂移，导航精度较低，同时随着导航相机等光学敏感器 发展，以光学信息为主的深空探测器自主导航方法已成为研究热点。其中，针 对目标天体表面存在大量陨石坑的地形特点，各国学者对其展开了大量的研究， 利用这种地形特征作为导航路标的自主导航方法，具有较高的轨道确定性能。

基于路标导航的深空探测器自主光学导航方法已成为目前研究热点，其中 如何在众多的导航路标中选取合适的路标以便达到期望的性能要求，是基于路 标导航的一个关键技术，直接影响了软件算法的计算效率与探测器的自主定位 能力，决定了探测任务是否能够成功完成，因此路标导航的自主选取方法是当 前科技人员关注的重点问题之一。

在已发展的导航路标自主选取方法中，在先技术[1](参见Debo Sun， Crassidis J L.Observability Analysis of Six-Degree-of-Freedom Configuration  Determination Using Vector Observations[J].Journal of Guidance，Control，and  Dynamics.2002，25(6)：1149-57)，以共线方程作为观测模型，通过极大似然估计 理论得到相对位置、姿态估计系统的最优误差方差矩阵和费歇尔(Fisher)信息 阵；接着，通过对误差方差阵和信息阵的秩、迹和特征值的分析来确定视线测 量相对导航系统的可观性和可观度。这种方法能够定性地分析路标距离探测器 远近对导航精度的影响，但却不能定量地对导航系统的可观度进行分析，无法 给出探测器在轨自主选择导航路标的准则。

在先技术[2](参见Burschka D，Geiman J，Hager G.Optimal landmark  configuration for vision-based control of mobile robots[C].2003IEEE International  Conference on Robotics and Automation.2003，3：3917-22)，利用观测矩阵的条件 数对平面内移动的机器人的导航选取方法进行了研究，分析了导航路标的位置 对导航精度的影响，并给出了导航路标的选取方法。但是这种方法只适合应用 在平面二维运动空间内的物体，并不适用于深空探测器这种空间三维运动的物 体。

在先技术[3](参见黄翔宇等.深空自主导航系统的可观性分析.宇航学报， 2006，27(3)：332-337)，利用误差协方阵的方式对导航路标的观测对导航精度的影 响，该方法通过对误差协方差阵的奇异值分析，采用数值方法得到了导航路标 位置对导航精度的影响程度。但是由于该方法采用的是数值计算方法，计算量 大，因此这种方法只适合前期的任务分析及地面试验分析，而并不能应用于探 测器在轨的自主导航路标选取。

发明内容

本发明为解决目前基于路标导航的深空探测器尚没有精确可行的导航路标 自主选取方法的问题，针对采用三路标的像素信息进行深空探测器位置、姿态 自主确定的导航系统，提出一种基于观测矩阵的深空探测器自主导航路标选取 方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明所述的基于观测矩阵的深空探测器自主导航路标选取方法，具体步 骤如下：

步骤1，读取导航路标在目标天体坐标系下的位置数据，计算目标天体坐标 系下n个路标相对探测器的位置矢量

读取光学相机拍摄到的目标天体表面地形图像，从中提取到n个导航路标 在目标天体坐标系下的位置矢量(i＝1，2...n)，及轨道预报给出的深空探测器相 对目标天体的大致位置矢量计算目标天体坐标系下n个路标相对探测器的 位置矢量