[发明专利]一种面向深空探测光学导航的短弧椭圆拟合优化方法

说明书

本发明公开了一种面向深空探测光学导航的短弧椭圆拟合优化方法，步骤如下：通过星历查询获得整个行星目标边缘的投影椭圆和模拟理论成像弧段；利用最小二乘椭圆拟合算法拟合上述获得的整个行星目标边缘的投影椭圆以获取拟合方程，从拟合方程的参数中提取椭圆的形状信息；获得带形状先验的椭圆标准方程，用列文伯格‑马夸尔特方法对该带形状先验的椭圆标准方程进行优化，以实现对模拟的相机实际成像弧段的拟合。本发明通过引入星历查询的方法，将行星目标边缘投影椭圆的形状先验信息引入椭圆的标准方程，通过带有先验信息的优化方法实现对带有误差的短弧的高精度拟合。

技术领域

本发明属于导航制导与控制技术领域，具体涉及一种面向深空探测光学导航的短弧椭圆拟合优化方法。

背景技术

在深空探测任务中，探测器的导航系统是决定探测任务能否成功的关键因素之一。目前的深空探测任务，大都以地面测控的方式对探测器进行测控与导航，但是该方法成本高且通讯延时大。随着未来的深空探测任务变得更加复杂和具有挑战性，地面测控的方式将难以满足探测器的导航和控制需求。而自主导航对于深空探测而言是一种独立于地面测控的理想导航方法，探测器的自主导航不依赖地面深空网测控系统的支持，利用探测器自身搭载的测量手段和导航控制计算系统测定探测器自身位置速度等状态信息。而其中基于光学成像的自主导航技术因为其成本低、易实现等优点，成为了自主导航中最有希望的一种，并且已经在许多深空探测任务中做了尝试。例如，1998年，美国深空一号(Deep Space1)探测器利用搭载的相机对小行星进行拍照，并结合得到图像中的恒星背景实现了深空探测器巡航阶段中的自主导航。2005年，日本隼鸟号小行星探测器根据预先投掷在小行星上的导航信标，融合使用光学敏感器、雷达测距仪及激光测距仪进行自主导航，成功实现了与Itokawa小行星的交会和自主着陆。

在光学自主导航中，一步很重要的工作是对提取的目标边缘做椭圆拟合。绝大部分目前已有的研究中都采用了最小二乘算法来实现对目标边缘的拟合，在一些工作中甚至直接采用了圆拟合。最小二乘算法计算简单而且容易在工程上实现，但是在深空探测任务中，提取出的目标的边缘通常不是完整的，甚至只有一小段弧度，并且提取的边缘数据还存在误差。最小二乘算法在拟合弧度较小并且拟合数据带误差时会产生较大的椭圆拟合误差甚至会直接失效，这极大地影响了光学自主导航的可用范围和精度。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种面向深空探测光学导航的短弧椭圆拟合优化方法，以解决现有技术在深空探测光学导航中，因提取的目标边缘弧度过小且带有误差而导致的椭圆拟合精度较低甚至直接失效的问题。本发明通过引入星历查询的方法，将行星目标边缘投影椭圆的形状先验信息引入椭圆的标准方程，通过带有先验信息的优化方法实现对带有误差的短弧的高精度拟合。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种面向深空探测光学导航的短弧椭圆拟合优化方法，步骤如下：

1)通过星历查询结合航天器的自身位姿，获得整个行星目标边缘的投影椭圆和模拟理论成像弧段；

2)利用最小二乘椭圆拟合算法拟合上述步骤1)中获得的整个行星目标边缘的投影椭圆以获取拟合方程，从拟合方程的参数中提取椭圆的形状信息；

3)将上述形状信息引入椭圆的标准方程，获得带形状先验的椭圆标准方程，用列文伯格-马夸尔特方法对该带形状先验的椭圆标准方程进行优化，以实现对模拟的相机实际成像弧段的拟合。

进一步的，所述步骤1)中整个行星目标边缘的投影椭圆获得过程如下：

通过查询星历获得行星目标在惯性坐标系下表面的坐标P＝[X_w,Y_w,Z_w]，通过投影成像原理把行星目标表面坐标投影到相机的像素坐标系上，得到点P＝[u,v]^T；相机的投影原理如下式所示：