[发明专利]一种适用于月球着陆器的惯性/视觉/天文/激光测距组合导航方法

说明书

本发明涉及一种适用于月球着陆器的惯性/视觉/天文/激光测距组合导航方法。首先根据月球固连坐标系下惯性导航的力学编排，以惯性导航误差方程作为状态模型，再分别利用惯性/视觉导航系统获得的相对位置和姿态误差，利用天文导航系统获得的星光矢量，利用激光测距仪获得的距离作为量测量。之后根据这些量测量分别建立惯性/视觉导航系统相对位置和姿态误差、星光矢量及激光测距的量测模型。最后使用UKF滤波估计着陆器的位置、速度和姿态，对月球着陆器的姿态误差和惯性器件误差进行修正。本发明属于深空探测器自主导航领域，可为月球着陆器提供高精度的位置、速度及姿态信息，对深空探测具有重要的实际意义。

技术领域

本发明属于深空探测器自主导航领域，涉及一种适用于月球着陆器的惯性/视觉/天文/激光测距组合导航方法。

背景技术

深空探测技术作为人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是国家综合国力的重要标志，是当前和未来航天领域的发展重点之一，对科技提升、经济与社会发展起着重要作用。近年来我国深空探测技术迅速发展，深空探测能力不断提升，月球探测已渐入佳境。以嫦娥四号为例，其着陆器于2018年12月8日发射入轨，2019年1月3日10时26分成功软着陆于月球背面，实现了人类首次月球背面软着陆。

对于月球探测任务而言，导航精度对于任务的成败有着重要影响，国内外采取多种手段致力于提高着陆器导航精度。据张洪华等人研究，我国嫦娥三号月球探测器在软着陆过程中采用IMU、激光测距仪和微波测距测速敏感器组合的导航方式，可以通过激光和微波测距信息融合来修正惯导高度误差，通过微波测速多波束组合来修正速度误差，但是姿态误差有待校正。欧空局月球着陆器采用了IMU、距离传感器和导航相机相组合的导航方法，依然无法准确估计姿态信息。本发明提出的一种适用于月球着陆器的惯性/视觉/天文/激光测距组合导航方法，在传统的惯性/视觉导航基础上，辅助天文与激光测距导航，能够更准确的修正位置与姿态信息。在月球探测的软着陆阶段，主要采用惯性/视觉组合导航获取信息。惯性导航根据初始轨道的装订数据，对惯性测量单元的输出进行积分，得到着陆器的位置、速度和姿态，视觉导航通过对外界环境的感知来确定着陆器的位置和姿态的变化，并通过整合得到当前的位置和姿态。但是，由于惯性测量单元中的陀螺和加速度计不可避免的存在误差，并随时间累积，视觉导航随周围环境变化产生误差，并随距离累积，这些都会严重影响导航精度。因此，常添加其他导航辅助组合导航来改善导航性能。常见的导航有天文导航与激光测距导航等，天文导航误差与时间和距离无关，可修正导航姿态信息，但定位精度不高，可利用激光测距提高导航精度，较好地修正着陆器的位置信息。因此，惯性导航、视觉导航、天文导航和激光测距具有很好的优势互补特性，对于长时间、长距离的着陆器自主导航任务，利用激光测距与天文导航辅助惯性/视觉导航实现月面巡视着陆器的自主导航是一种可行的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服单独使用某种导航方法存在的缺点，为月球着陆器提供一种适用于月球着陆器的惯性/视觉/天文/激光测距组合导航方法，大大提供高精度的位置、速度和姿态信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种适用于月球着陆器的惯性/视觉/天文/激光测距组合导航方法，实现为：

第一步，在月球固连坐标系下，建立基于惯性导航误差方程的月球着陆器的状态模型；

第二步，再分别利用惯性/视觉导航系统获得惯性/视觉导航系统的相对位置和姿态误差，利用天文导航系统获得恒星的星光矢量，利用激光测距仪获得月球着陆器相对月面的距离作为量测量；

第三步，根据所述量测量分别建立惯性/视觉导航系统相对位置和姿态误差量测模型、星光矢量量测模型及激光测距的量测模型；

第四步，基于第一步中的状态模型和第三步中的量测模型，采用UKF滤波估计月球着陆器的位置、速度和姿态，对月球着陆器的姿态误差和惯性器件误差进行修正。

具体包括以下步骤：