[发明专利]地外天体着陆自主光学导航特征综合优化方法

说明书

本发明涉及一种地外天体着陆自主光学导航特征综合优化方法，属于深空探测技术领域。本发明首先利用星表图像信息建立不同几何特性陆标的观测方程，利用Fisher信息矩阵分析导航系统的可观测度和估计误差下限，在此基础上以导航系统可观测度和估计误差下限为评价指标对随机分布的特征点陆标进行优化，同时对不同导航陆标特征点和曲线进行最优选取，提高导航系统精度，保证导航系统的稳定性。该方法利用导航系统可观测度和估计误差下限为评价指标对随机分布的特征点陆标进行优化，同时对不同导航陆标特征点和曲线进行最优选取，提高导航系统精度。本发明的方法不仅适用于行星着陆任务中，也适用于小天体着陆任务。

技术领域

本发明涉及一种地外天体着陆自主光学导航特征综合优化方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

着陆探测及采样返回是未来深空探测的主要发展方向。未来的小天体及火星探测任务都要求探测器具备在科学价值较高的区域精确定点着陆的能力。而目标天体距离地球较远，通讯时延严重，这就要求探测器具备自主导航的能力。同时，目标天体环境的先验信息不足、环境扰动等不确定性对自主导航系统提出了更高的要求。

目前着陆过程中主要采用基于惯性测量单元IMU航位递推的导航方法，但该方法无法对初始偏差进行修正，且惯性测量单元存在随机漂移和误差，随着时间的累积误差会逐渐扩散，难以满足高精度导航的要求。针对上述导航方法存在的不足，基于天体表面特征图像信息的自主视觉导航方法逐渐成为各国学者研究的重点。按照天体表面特征类别不同，基于天体表面特征图像信息的自主视觉导航方法主要分为两类：第一类是利用特征点(如角点，岩石等)匹配的导航方法；第二类是利用特征线(如陨石坑、沟壑等)匹配的导航方法。鉴于此，有必要针对着陆器运动状态估计这一问题，选取最优的导航陆标，优化行星着陆视觉导航方案，有助于实现着陆过程的高精度导航，保证着陆器精确安全着陆。

发明内容

为了解决星际着陆自主导航中自主视觉导航过程中的问题，本发明目的是提供地外天体着陆自主光学导航特征综合优化方法，基于Fisher信息矩阵分析导航系统的可观测度和估计误差下限，对随机分布的特征点陆标进行优化，同时对不同导航陆标特征点和曲线进行了最优选取，保证着陆器精确安全着陆。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的地外天体着陆自主光学导航特征综合优化方法，首先利用星表图像信息建立不同几何特性陆标的观测方程，利用Fisher信息矩阵分析导航系统的可观测度和估计误差下限，在此基础上以导航系统可观测度和估计误差下限为评价指标对随机分布的特征点陆标进行优化，同时对不同导航陆标特征点和曲线进行最优选取，提高导航系统精度，保证导航系统的稳定性。

地外天体着陆自主光学导航特征综合优化方法，包括如下步骤：

1、地外天体着陆自主光学导航特征综合优化方法，包括如下步骤：

步骤1：建立基于特征点的自主视觉导航观测模型。

采用小孔成像模型，着陆平面上的任一特征点p_j在第i幅下降图像中的观测值为

其中f为相机焦距，和表示观测值在图像坐标系下的分量，和表示特征点p_j在相机坐标系下的三轴分量；

其中，表示特征点p_j在相机坐标系下的位置矢量，q_i表示姿态四元数，C(q_i)表示着陆点坐标系到着陆器本体系转换的方向余弦阵，^Lx_j表示特征点p_j在着陆点坐标下的位置矢量，^Lr_i表示着陆器在着陆点坐标下的位置矢量。

基于特征点的自主视觉导航观测模型为