基于太阳观测图像的月球车天文导航

摘要

月球车要在月表复杂环境下进行巡视勘测以完成科学探测任务，需要导航系统的支持。为了确保它能够在长时间、远距离的条件下正确执行巡视任务，它的导航系统要有高度的自主性，特别是高精度定位和定向的能力。可用于月球车的导航方法主要有惯性导航、视觉导航和天文导航等。自主天文导航是误差有界的绝对导航，可以修正惯性导航和视觉导航等相对导航的累积误差。在月表其它定向方法都无效时，只有天文定向才能为月球车提供绝对航向信息。在本文基于太阳观测图像的月球车天文导航的研究成果中，主要创新点如下：
　　 1.太阳敏感器中高性能太阳图像质心提取算法
　　 太阳敏感器输出是月球车天文导航的主要信息来源之一。在月表特殊环境下，为了减弱月尘对成像的影响，可以使用视觉导航中透镜式相机作为太阳敏感器。针对太阳图像噪声以及典型图像退化的不良影响，提出一种基于Zernike矩的高精度太阳质心提取算法。采用Sobel算子进行边缘检测，Zernike矩重定位亚像素边缘，用最小二乘法拟合圆心。而当图像存在退化时，需进行有效圆边缘点检测后，再用该法提取质心。从理论上分析了Zernike矩亚像素边缘检测对圆拟合法的改进作用。利用仿真图像和地表实验图像，将本文方法与传统的重心法，带阈值的重心法和圆拟合法进行了比较。结果表明，本文方法精度更高，具有更好的稳定性，可以对月球车天文导航起良好作用。
　　 2.一种非迭代的月球车天文定位方法
　　 传统的月球车天文定位方法是迭代解析高度差法(简称迭代算法)，它本质上是一种非线性最小二乘估计算法，在求解过程中需要位置初始值，然后通过迭代求解算法，直到收敛。针对迭代解析高度差法的缺点，提出了一种非迭代的月球车天文定位方法。该法可用于月球车定位，无需位置初值也无需迭代求解。另外，它也可以用于获得迭代算法的初始值，以加快收敛。相比较与迭代算法所用的球面几何[苗永宽，1983]，非迭代算法主要使用解析几何。该法计算速度快，定向精度较高，定位时受噪声影响仍旧较大。下文第3部分在抑制噪声方面做了改进。
　　 3.月球车同时天文定位和定向方法
　　 本文重点提出了月球车静止条件下同时天文定位和定向方法，该法无需迭代，而且可以抑制噪声影响。具体为采用太阳传感器输出的太阳矢量和倾斜计的月球车姿态输出，联合月表太阳星历，最后用姿态四元数估计算法求解。另外还分析了静止条件下传感器系统误差(如安装位置误差、偏置等)和随机噪声对导航的影响，对这两类误差进行了联合标定。接着进行月表天文导航的仿真，用该方法得到了仿真结果。在地表进行了实验，并且把地表实验结果与地表仿真结果进行比较，有很高的一致性。
　　 4.基于角速度当前统计模型的月球车连续天文导航方法
　　 准确实时地获得行驶过程中月球车的状态信息是其长时间、远距离自主导航的关键，为了克服天文导航需要停车条件下进行天文定向的缺点，为此提出了一种基于天体观测和陀螺角速率测量的连续天文导航方法。采用星敏感器观测得到的恒星方向矢量信息作为量测方程；利用本文提出的角速度当前统计模型(AVCSM)建立月球车运动模型，以及月球车姿态的四元数微分方程作为系统方程。最后给出了扩展卡尔曼滤波(EKF)下的月球车位置、航向和姿态的解。另外，在地面站提供月球车位置的条件下，给出基于太阳敏感器、倾斜计和陀螺仪的定向和定姿结果。仿真结果表明该方法可以连续地获得较高的导航精度。