基于光学测量的相对导航方法及在星际着陆中的应用研究

摘要

探测器在行星表面实现自主的精确着陆（Pin-point landing）是一项富于挑战性的任务，探测器必须具备精确相对导航的能力。传统的基于航位推算的星际着陆导航方式无法满足未来星际精确着陆任务对着陆精度的要求，因此有必要发展新一代基于光学测量的星际着陆相对导航方法。
　　本学位论文结合“十五”863计划项目——“深空探测自主技术与仿真演示系统”，从光学测量相对导航方法和软着陆小行星自主导航半物理仿真两方面出发，对基于光学测量的相对导航方法及其在星际精确着陆任务中的应用进行了深入系统的研究。论文的主要研究内容包括：
　　首先，基于探测器和目标天体表面特征点之间的矢量观测，提出了一种基于矢量测量的自主相对导航方法。通过光学导航相机和激光测距仪组合测量输出构建探测器到三个非共线的特征点之间矢量，进而构建特征点固连坐标系和定义于着陆点固连坐标系下探测器的相对位置和姿态。为了解决导航过程中可能发生的由于特征点逸出相机视场导致导航失败的难题，发展了基于特征点跟踪、继承的自主光学相对导航算法。
　　其次，基于探测器和目标天体表面特征点之间的视线（方向矢量）观测，提出了一种基于视线测量的自主相对导航方法。通过对四个或者四个以上的视线的观测，借助非线性估计理论的批处理算法和导航滤波算法，唯一地确定了探测器的六自由度运动状态—相对位置和姿态。为了克服高斯最小二乘微分修正算法存在的由于初值偏离真实值较大而导致收敛困难的问题，发展了视线测量相对导航的龙贝格－马尔塔算法。
　　接着，对视线测量相对导航系统的可观性问题进行了深入的分析研究。以共线方程作为观测模型，利用极大似然估计得到了相对导航系统满足克拉马－罗下边界的最优误差方差阵和费歇尔信息阵。通过对费歇尔信息阵的秩、特征值和特征向量的分析，深入研究了不同视线测量数目条件下的相对导航系统的可观性和可观度，并借助于Matlab Symbolic Toolbox提供的符号计算功能验证了理论分析的正确性。
　　然后，为了克服光学导航和惯性导航在实际应用中各自存在的缺点和不足，发展了光学测量辅助的星际软着陆惯性导航方法。利用光学导航相机识别、跟踪目标天体表面的自然特征点，通过导航滤波融合惯性测量单元输出和光学导航量测，有效地修正惯性测量单元的常值偏差和避免光学导航中存在的由于跟踪目标丢失导致导航中断现象的发生。
　　最后，结合“十五”863计划项目——“深空探测自主技术与仿真演示系统”，在上述研究成果基础上，建立了基于光学导航相机/小行星地貌模拟器和Matlab/Simulink/dSPACE集成仿真环境的软着陆小行星自主导航半物理仿真分析系统，通过半物理仿真分析对所提出的光学测量相对导航算法的可行性进行了验证。

目录

工学博士学位论文

摘 要

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究目的及意义

1.2 深空探测星际着陆任务综述

1.3 航天器自主导航研究现状与分析

1.3.1 航天器自主导航方法综述

1.3.2 自主光学导航敏感器发展现状

1.3.3 光学导航敏感器的测量类型

1.4 光学测量相对导航研究现状与分析

1.4.1 近地航天器相对导航简述

1.4.2 深空探测相对导航研究现状与分析

1.5 导航滤波器的研究现状与分析

1.6 论文的主要研究内容

第2章 基于矢量测量的相对导航方法

2.1 引言

2.2 特征跟踪相对导航方法

2.2.1 导航几何模型

2.2.2 特征跟踪和继承

2.2.3 特征跟踪继承相对导航

2.3 导航观测矢量构建

2.4 探测器相对位置矢量构建

2.4.1 坐标系和坐标转换矩阵构建

2.4.2 着陆点固连坐标系下探测器位置

2.5 探测器相对姿态与速度构建

2.6 制导控制律

2.7 着陆小天体动力学模型

2.7.1 引力场模型

2.7.2 着陆小天体动力学方程

2.8 导航滤波器设计

2.9 数学仿真分析

2.10 本章小结

第3章 基于视线测量的相对导航方法

3.1 引言

3.2 视线测量相对导航问题描述

3.3 导航测量敏感矩阵

3.3.1 共线方程

3.3.2 测量方程

3.3.3 测量敏感矩阵

3.4 视线测量相对导航批处理算法

3.4.1 视线测量相对导航GLSDC算法

3.4.2 视线测量相对导航LM算法

3.5 视线测量相对导航UKF 滤波算法

3.5.1 系统动力学方程

3.5.2 Unscented变换

3.5.3 视线测量UKF导航算法

3.6 数学仿真分析

3.7 本章小结

第4章 视线测量相对导航可观性分析

4.1 引言

4.2 视线测量相对导航最优误差方差阵

4.2.1 视线测量相对导航观测模型

4.2.2 视线测量相对导航极大似然估计

4.2.3 视线测量相对导航最优误差方差阵

4.3 视线测量相对导航可观性的秩分析

4.3.1 方差阵的特征值、秩与可观性

4.3.2 一个观测视线的可观度

4.3.3 两个观测视线的可观度

4.3.4 三个观测视线的可观性

4.3.5 多个视线矢量观测情况

4.4 视线测量相对导航可观性迹分析

4.5 视线测量相对导航可观性数值分析

4.5.1 信息阵的秩

4.5.2 信息阵的特征值和特征向量

4.6 本章小结

第5章 光学测量辅助的惯性导航方法

5.1 引言

5.2 光学测量辅助惯性导航测量模型

5.2.1 相对几何关系

5.2.2 光学测量模型

5.2.3 惯性测量单元模型

5.3 星际着陆动力学模型

5.4 光学测量辅助惯性导航算法

5.5 数学仿真分析

5.6 本章小结

第6章 着陆小行星自主导航半物理仿真

6.1 引言

6.2 半物理仿真系统硬件组成

6.2.1 dSPACE实时仿真机

6.2.2 着陆区地貌模拟器

6.2.3 光学导航相机

6.3 半物理仿真系统软件结构

6.4 半物理仿真系统工作流程

6.5 着陆导航半物理仿真分析

6.5.1 仿真参数

6.5.2 矢量测量相对导航仿真分析

6.5.3 视线测量相对导航仿真分析

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历