[发明专利]小天体附着光学导航特征递推优选方法

说明书

本发明涉及小天体附着光学导航特征递推优选方法，属于深空探测技术中自主导航领域。该方法在给定的相机采样时间间隔下，依据标称轨迹递推得到不同时刻下着陆器位置，利用相机参数计算出对应时刻下可见视场范围，得到一组序列可视范围；在附着开始阶段利用预估序列可视范围，以Cramér‑Rao下界为性能指标，实现对序列可视范围内光学导航特征的优化选取。本发明通过特征递推优化选取方法，降低星载计算机计算量，提高导航精度。

技术领域

本发明涉及小天体附着光学导航特征递推优选方法，属于深空探测技术中自主导航领域。

背景技术

小天体附着是开展小天体原位探测、采样返回的重要前提。由于小天体距离地球较远，基于地面站测控的通信方式有较大时延，难以满足任务需求，因此，小天体附着任务需要自主导航技术。

附着过程着陆器距离小天体表面越来越近，为避障及实现软着陆，附着过程需要较高的导航精度。传统的惯性导航方式由于存在初始偏差无法修正及随时间累积而扩散的漂移和误差问题，导航精度难以满足需求。自主光学导航是现阶段小天体附着探测重要的导航方式，由于小天体表面存在陨石坑等地形特征及SIFT点等机会特征，利用光学相机获取上述特征根据几何关系直接解算着陆器状态，可以提供较高的导航精度。

在自主光学导航过程中，导航路标的数量和位置是影响导航精度的关键因素。在小天体附着过程中，随着着陆器高度逐渐降低，可视光学特征逐渐移出相机视场，重新提取并匹配新的光学特征可以实现高精度导航，但有限的星载计算能力无法满足实时光学特征的提取与匹配；附着阶段全程利用固定路标导航虽然可以减小计算量，但是会导致附着阶段整体导航精度低，从而影响附着精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种小天体附着光学导航特征递推优选方法，该方法在给定的相机采样时间间隔下，依据标称轨迹递推得到不同时刻下着陆器位置，利用相机参数计算出对应时刻下可见视场范围，得到一组序列可视范围；在附着开始阶段利用预估序列可视范围，以 Cramér-Rao下界为性能指标，实现对序列可视范围内光学导航特征的优化选取。本发明通过特征递推优化选取方法，降低星载计算机计算量，提高导航精度。

本发明公开一种小天体附着光学导航特征递推优选方法，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。导航相机模型采用小孔成像模型，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：