[发明专利]一种深空探测器软着陆自主光学导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种深空探测器的自主导航方法，特别是一种深空控测器在软着陆过程中利用光学信息进行自主导航的方法，属于航天航空领域。

背景技术

探测器软着陆目标天体将是未来深空探测最复杂的任务之一，为了保证着陆任务的成功完成，必须控制探测器在精确到达目标着陆点的同时，保证其相对速度为零、姿态垂直目标天体表面，因此需要精确地确定探测器相对目标天体的位置、速度与姿态。由于存在较长的通讯延迟，采用传统的基于深空网的导航模式已无法满足实现高精度软着陆的需要。传统的惯性自主导航系统由于初始对准误差、常值漂移以及模型不确知参数的存在，致使导航精度较低，不能精确地完成深空软着陆任务。基于自主光学信息的导航方式由于具有自主性强、精度高、实时性好等优点，已成为近年来各国学者研究的热点，并逐渐在深空探测任务中应用试验。自主光学导航方法是直接关系到深空探测软着陆任务完成质量的关键技术，甚至关系到整个任务的成功与否，因此深空探测器软着陆自主光学导航方法是当前各国航天科研部门重点发展的研究方向之一。

在已发展的深空探测器软着陆自主光学导航方法中，在先技术[1](参见MisuT，Hashimoto T，Ninomiya K.Optical guidance for autonomous landing ofspacecraft[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1999，35(2)：459-472.)，日本Toshihiko等以MUSES-C任务为背景提出利用光学相机跟踪目标天体表面三个特征点，同时利用激光测距仪测量探测器相对每个特征点的距离，获得探测器相对每个特征点的矢量信息，进而通过构建特征点坐标系确定探测器在该坐标系下的位置和姿态等状态。该方法需要安装万向节以调节激光测距仪的指向，这样不仅增加了系统的复杂程度，还降低了可靠性。同时由于该方法还需要考虑特征点溢出、继承等问题，导致软件算法计算效率较低、鲁棒性较差。

在先技术[2](参见SeidenstickerK J，Mohlmann D，Apathy I，et al.SESAME-An experiment of the Rosetta lander Philae：Objectives and general design[J].SpaceScience Reviews，2007，128(1)：301-337.)，欧空局的Rosetta任务计划利用四套激光测距仪与多普勒雷达确定探测器相对着陆区的高度、速度和姿态信息。该方法由于能够直接测量到位置、姿态状态的相关信息，因此具有可靠性高、实时性好等优点。但是该方法采用了八套测距、测速设备，导致任务成本的提高，降低了科学有效载荷的携带质量，不满足未来深空探测任务“更快、更便宜和更好”的发展要求。同时该方法对于位置状态仅能测量高度信息，无法获得探测器相对目标着陆点，不能支持完成高精度软着陆任务。

在先技术[3](参见Johnson A E，Cheng Y，Matthies L H.Machine vision forautonomous small body navigation[C].IEEE Aerospace Conference Proceedings，2000，7：661-671.)，美国JPL实验室的Johnson等提出了一套基于计算机视觉的软着陆导航方案，通过利用光学导航相机跟踪多帧图像特征点，结合激光测距仪数据，采用视觉导航原理对探测器运动进行估计，同时完成对着陆区地形的重构。该方法仅采用了一部导航相机和一套激光测距仪，因此任务成本低，但这也带来了测量数据少，探测器状态不能完全确定的缺点，实际上该方法是一种运动估计方法，只对探测器的图像帧间的运动进行估计，无法确定探测器相对于目标天体表面的位置、姿态信息。同时该算法较为复杂，并且由于存在特征点的误匹配，因此不能严格保证算法的计算精度。

发明内容

本发明的目的是为解决现有自主光学导航技术的系统复杂程度高，不能支持完成高精度软着陆任务的问题，针对深空软着陆任务自主性、实时性的需求，提出了一种深空探测器软着陆自主光学导航方法。