[发明专利]利用SINS/图像匹配组合导航进行火星捕获的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以用于深空探测器进行自主火星捕获的方法，尤其涉及一种利用SINS/图像匹配组合导航技术为深空探测器进行自主火星捕获的方法。

背景技术

深空探测器从减速制动到被火星引力捕获，直至进入环火星的过程——火星捕获，是整个火星探测活动最困难、最重要的关键环节。深空探测器脱离地球的影响球后，利用惯性在太阳的引力范围内向火星飞行，在到达火星轨道前，必须进行“刹车制动”减速，使其被火星的引力捕获。如果此时制动不够，探测器将飞出火星影响球；如果制动过量，探测器将撞击火星。

火星捕获目前还主要依靠地面遥控遥测，而深空探测器远距离飞行，信号强烈衰减，不能实时与地面保持联系；当探测器飞到火星背面时，还会失去探测器的无线电信号；或者，火星运行到某个位置隔着太阳形成一条直线，即日凌现象。因此，发展自主导航技术是深空探测关键技术之一。而目前深空探测器主要依靠星敏感器获得自主控制的参考点，这要求非常高精度的星敏感器，除了价格昂贵，还受到进口限制。

而火星卫星图像的分辨率越来越高，如美国火星侦查轨道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）携带的高分辨率科学成像仪（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）图像分辨率可达30厘米。同时，大规模集成电路（VLSI）实现的并行处理计算机性能的提高将进一步提升算法的快速性。因此，本发明提出一种利用SINS/图像匹配组合导航为深空探测器进行火星自主捕获方式，为我国未来的深空探测器自主火星捕获控制提供了一种可行的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种深空探测器利用SINS（捷联惯性导航系统）和图像匹配技术组合导航方式进行火星自主捕获的方法。

为了达到上述的发明目的，本发明的利用SINS/图像匹配组合导航进行火星捕获的方法包括下列步骤：

（1）探测器轨控发动机在近火星段的飞行过程中，直接制动进行火星捕获；

（2）根据当前SINS得到的探测器的位置信息，在探测器载计算机中找到预先存储的与探测器当前位置信息相对应的参考图像A；

（3）利用探测器载成像传感器实时获取当前火星的实测图像B，并与参考图像A相比较，利用图像匹配算法来确定探测器当前的位置和姿态；

（4）此时探测器处于高机动状态，利用SINS给出探测器当前的位置和姿态；

（5）在步骤（3）和步骤（4）的基础上，利用SINS/图像匹配组合导航算法给出探测器当前的精确位置和姿态；

（6）在步骤（5）的基础上，通过提取和跟踪目标火星轮廓边缘来确定探测器与目标天体之间的相对位置、相对速度、相对姿态，即探测器位置的变化和姿态的变化；

（7）根据步骤（5）和步骤（6）的输出结果，利用最优组合滤波算法给出探测器的状态信息，即对探测器进行导航定位；

（8）在步骤（7）的基础上，确定探测器入轨的状态，形成控制指令，实现探测器的自主精确捕获。

本发明的有益效果为：本发明提出的火星捕获方式较目前的地面控制方式和星敏感器定位方式更具优越性。其原因如下：首先，图像匹配系统不需要载体装备额外的传感器，仅用载体已装备的用来执行任务的光学成像传感器即可。这也符合深空探测器小型化、高集成化、多功能化发展的趋势；其次，SINS/图像匹配组合导航属自主导航系统，可利用这种精确的位置信息来消除当前轨道的偏差，其实时性远优于地面的遥控、遥测，也避免了火星背面的信号盲区；最后，图像匹配系统还具有提供目标识别信息的能力，可实现自主智能的目标确定，有助于迅速准确地判断探测器的制动情况和制动结束后的绕飞入轨状态，同时还对进一步的测控（轨道控制和姿态控制）提供参考依据。因此，利用图像匹配技术，将能够自主获取探测器目前距离火星的状态。类似于驾驶技术中的“倒车入库”，通过左右后视镜对左右障碍（不同目标，不同角度）的观察，将“探测器”顺利捕获“入轨”。结合我国目前深空探测的火星捕获技术，并配合以SINS/图像匹配组合导航，将可以提高深空探测器的轨道精度，促进深空探测器自主性的发展。

附图说明

图1是火星探测器火星捕获高度示意图。

图2是捕获区域示意图。

图3是技术路线图。

具体实施方式

本实施为利用SINS/图像匹配组合导航进行火星捕获的方法，包括下列步骤：