[发明专利]行星着陆图像与测距融合的相对导航方法

说明书

本发明公开的行星着陆图像与测距融合的相对导航方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：建立敏感器的测量模型；根据测量模型中光学相机与测距仪的观测量求解特征点的位置矢量；以求解的特征点位置矢量为导航系统观测量，构建相对导航系统，将相对导航系统中的状态方程与观测方程输入到导航滤波器中，获得行星着陆器相对目标着陆点的位置、速度及姿态信息，进而实现行星着陆相对光学导航。本发明既能够避免光学导航对行星地形数据库的依赖，又能够获得行星着陆器相对目标着陆点的状态信息，进而实现行星着陆相对光学导航。本发明能够为行星精确软着陆任务导航方案设计提供技术支持和参考，并解决相关工程问题。

技术领域

本发明涉及一种行星着陆相对光学导航方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

光学导航是行星着陆中常用的导航方法。行星着陆光学导航主要分为三类。第一类为绝对光学导航。在着陆过程中，着陆器所载的相机拍摄着陆区域图像，提取图像中大型自然路标，大型自然路标是指在行星地形数据库中已经得到识别并且标注出位置的地形特征。以大型自然路标为导航参考可以获得着陆器在行星固连坐标系下的绝对位置、速度及姿态信息。然而，由于在行星着陆过程中，着陆器高度较低，相机视场受限，着陆区域通常又选在自然路标匮乏的大范围平坦区，因此难以观测到可用的大型自然路标。

第二类为相对位姿估计。相机只提取图像中的小型特征点，小型特征点不需要存在于行星地形数据库中，通过序列图像中特征点之间的配对关系，可以估计着陆器的位置及姿态变化。该方法不依赖地形数据库，随机特征点可以为陨石坑、岩石等，数量充足。然而该方法无法获得着陆器相对目标着陆点的状态信息。

第三类为相对着陆点的光学导航。着陆器在相机拍摄的图像中选择目标着陆点，并提取着陆点周围的小型特征点，利用小型特征点的像素坐标估计算着陆器相对着陆点的状态。该方法既有充足的特征点做导航参考，又可实现相对着陆点的状态估计，满足行星精确软着陆的需求。本专利的发明内容即属于此类光学导航方法。

发明内容

本发明公开的行星着陆图像与测距融合的相对导航方法要解决的技术问题为：结合测距仪、光学相机，提供一种行星着陆相对光学导航方法，既能够避免光学导航对行星地形数据库的依赖，又能够获得行星着陆器相对目标着陆点的状态信息，即获得行星着陆器相对目标着陆点准确的位置、速度及姿态信息，进而实现行星着陆相对光学导航。本发明能够为行星精确软着陆任务导航方案设计提供技术支持和参考，并解决相关工程问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的行星着陆图像与测距融合的相对导航方法，建立敏感器的测量模型。根据测量模型中光学相机与测距仪的观测量求解特征点的位置矢量。以求解的特征点位置矢量为导航系统观测量，构建相对导航系统，将相对导航系统中的状态方程与观测方程输入到导航滤波器中，获得行星着陆器相对目标着陆点的位置、速度及姿态信息，进而实现行星着陆相对光学导航。

本发明公开的行星着陆图像与测距融合的相对导航方法，包括如下步骤：

步骤1：建立敏感器的测量模型。

敏感器包括光学相机与测距仪。光学相机的测量模型如式(1)所示。

式中，p_i，l_i为图像中第i个特征点在像平面上的像素点坐标，f为相机焦距，为第i个特征点在着陆器本体坐标系下的三轴位置分量。着陆器在相对导航坐标系中的位置矢量为r＝[x y z]^T，则有：

式中：为相对导航坐标系到本体坐标系的坐标转换矩阵，x_i、y_i、z_i为第i个特征点在相对导航坐标系下的三轴位置分量。

测距仪的测量模型如式(3)所示。