[发明专利]小天体附着光学导航特征递推优选方法

权利要求书

1.一种小天体附着光学导航特征递推优化选取方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：建立小天体附着动力学模型、光学导航观测模型并确定附着标称轨迹；

在小天体固连坐标系下，小天体附着动力学模型为：

其中，r表示着陆器位置矢量；v表示着陆器速度矢量；T表示着陆器控制力加速度矢量；m表示着陆器质量；ω为小天体自转角速度；▽U(r)为小天体引力加速度矢量；v_ex为逃逸速度，表示为v_ex＝I_spg₀，I_sp为比冲，g₀为地球表面重力加速度；

边界条件约束：

其中，r₀,r_f分别为着陆器初始位置和终点位置，v₀,v_f分别为着陆器初始速度和末端速度，m_wet为着陆器初始质量；r(0),v(0)分别为着陆器在初始时刻的位置和速度，r(t_f),v(t_f)分别为着陆器在末端时刻的位置和速度，m(0)为着陆器在初始时刻的质量；

以SIFT特征点、角点和陨石坑中心点作为观测特征点；小天体表面上任一导航路标点p_j在任一下降附着图像中检测的特征点测量量为：

其中，(u_j,v_j)表示导航路标点p_j在图像坐标系下的像素坐标，f表示相机焦距，^Cx_j,^Cy_j,^Cz_j表示导航路标点p_j在相机坐标系下位置矢量的三轴分量，满足

式中，C(q)表示附着点坐标系到相机坐标系的姿态矩阵；^Lp_j表示导航路标点p_j在附着点坐标系中的位置矢量；^Cp_j为中间变量，^Lr表示着陆器在附着点坐标系下的位置；

为了实现着陆器精确附着，导航系统需要确定着陆器在附着点坐标系下的位置、速度信息；因此定义导航系统状态如式(5)所示；

x＝[^Lr^TLv^T]^T (5)

式中，^Lr和^Lv分别表示着陆器在附着点坐标系下的位置和速度；

根据式(1)得到导航系统状态方程如下：

其中，n_n表示系统噪声，其各分量为互不相关的高斯白噪声；

观测特征点的观测方程为：

U_j＝h_u(x)+v_u (7)

其中，v_u表示特征点的测量误差，为互不相关的高斯白噪声，h_u(x)为观测特征点的测量量；

根据式(7)及所需约束条件得到标称轨迹tra，

tra＝a^* (8)

其中，a^*表示标称轨迹；

步骤二：递推光学相机在每一采样时刻的视场范围；

首先，通过步骤一得到的标称轨迹确定着陆过程中各时刻着陆器的位置；相机始终垂直于着陆点所在平面，水平视场角与垂直视场角相等；

光学相机的采样时间序列为t₀,t₁,...,t_n，表达式如式(9)所示；

t_i+1-t_i＝Δt (i＝1,2,...,n-1) (9)

其中，Δt表示采样时间间隔；

相机视场范围表示为：以相机在着陆点所在平面的投影点为中心点，边长为l的正方形区域；在t_i时刻下，视场范围边长l_i表示如下：

l_i＝2s_itan(fov/2) (10)

其中，

fov表示相机视场角，s_i表示在t_i时刻着陆器到着陆点所在平面的距离，r_i表示在t_i时刻着陆器的位置矢量，为垂直于着陆点所在平面的法向向量；

步骤三：对不同采样时刻视场范围中特征进行优化选取，实现着陆器在附着过程中利用动态特征导航，保证较高导航精度，同时，避免实时处理图像，降低星载计算机计算负担；

Fisher信息矩阵F如式(12)所示；

其中，σ_j表示观测噪声标准差，各特征点观测噪声标准差一致，N为导航路标点数量；

当导航路标点个数为N时，同一时刻不同路标点在^Cz_j方向上坐标分量近似相等，即^Cz₁≈…≈^Cz_N＝^Cz，则着陆器位置的Fisher信息矩阵为

其中，C表示姿态矩阵C(q)的简写形式，不同观测量噪声强度相同；

利用Cramér-Rao不等式判断待估状态估计量方差的公共下界；结合式(12)，估计误差方差阵P^*的迹如式(14)；

式中，λ_j表示Fisher信息矩阵的特征值；

结合式(13)和(14)得到N个导航路标点情况下着陆器位置误差下限；

利用上式对图像中特征点进行优化选取；对步骤二得到的序列视场范围中特征点进行筛选，性能指标如式(16)，选取N个特征点作为观测特征点；

步骤四：利用步骤三选取的观测特征点进行导航，实现精确附着。

2.如权利要求1所述的小天体附着光学导航特征递推优化选取方法，其特征在于：所述光学相机采用小孔成像模型。