[发明专利]基于TDS与图像测量的行星动力下降段导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于TDS与图像测量的行星动力下降段导航方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

未来火星探测需要着陆器实现定点软着陆。动力下降段是着陆器的主要受控阶段，通过一定的制导算法可以控制着陆器飞往预定目标点，实现精确点着陆，而这必须以导航系统提供的精确位置和速度信息为前提。因此，构建可以精确确定着陆器位置和速度的导航方案是定点着陆任务成功的基础。

以往的火星着陆任务在动力下降段均采用雷达高度计测量着陆器的高度信息，对速度的信息的测量则不尽相同。火星探测漫游者（MER）利用下降图像估计系统（DIMES）对水平速度进行估计，“凤凰号”任务、火星探路者任务以及更早的“海盗号”任务均采用了多普勒雷达对水平速度进行估计。火星科学实验室（MSL）搭载了下降敏感器（TDS），由不同波束方向的多普勒雷达集合而成，可以确定出着陆器的高度和速度。然而，目前的导航敏感器均无法测得着陆器相对目标点的水平位置，以致于着陆器在动力下降段有较大的水平位置误差，制导系统也就无法控制着陆器实现定点着陆。

导航相机是目前自主导航系统中应用较广的敏感器，可以获得着陆器相对目标点的位置和速度信息。但是图像识别与处理过程繁琐，耗时多，对星载计算机要求高，因此难以单独使用。

发明内容

本发明的目的是为获得动力下降段着陆器准确的位置和速度信息，结合行星动力下降段的导航问题，结合下降敏感器、导航相机、惯性单元，提出一种基于TDS和图像测量的导航方案，用以确定着陆器的高度、速度及相对目标点的位置信息，为未来火星精确软着陆任务导航方案设计提供技术支持和参考。

在动力下降段，着陆器导航系统的惯性单元用于航位递推，是基础敏感器；所述TDS上有三波束多普勒雷达，直接获得着陆器距目标行星表面三个波束方向的距离和相对速度，然后解算出着陆器的高度以及在着陆点固连坐标系三轴方向上的速度；所述导航相机安装在着陆器上，作为视觉辅助导航敏感器，精确测量着陆区域不同特征点视线方向间的夹角，特征点位置相对着陆点已知，视线夹角包含着陆器相对着陆点的水平位置信息，大大提高了着陆器的水平位置精度。

本发明的技术方案具体包括如下步骤：

步骤1：建立行星动力下降段的着陆器状态模型。

在着陆点固连坐标系下，着陆器状态x包括位置矢量r=[x,y,z]^T、速度矢量v=[v_x,v_y,v_z]^T、姿态四元数q=[q₁,q₂,q₃,q₄]、加速度计漂移陀螺常值漂移动力下降段的着陆器状态模型为：

r·=v]]>

v·=Tbl(am-ba-ξm)+g]]>

q·=12Ωq---(1)]]>