[发明专利]基于TDS与图像测量的行星动力下降段导航方法

摘要

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。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；利用TDS上的多普勒雷达，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；导航相机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。

主权项

1.基于TDS与图像测量的行星动力下降段导航方法，其特征在于：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x·=f(x)]]>为：r·=v]]>v·=Tbl(am-ba-ξm)+g]]>q·=12Ωq---(1)]]>b·a=0]]>b·ω=0]]>其中为着陆器本体系到着陆点固连坐标系的坐标转换矩阵，用四元数表示如下：Tbl=q02+q12-q22-q322(q0q3+q1q2)2(q1q3-q0q2)2(-q0q3+q1q2)q02-q12+q22-q322(q2q3+q0q1)2(q0q2+q1q3)2(q2q3-q0q1)q02-q12-q22+q32---(2)]]>Ω为角速度的函数矩阵：Ω=Ω(ω)=Ω(ωm-bω-ξω)=0-ωx-ωy-ωzωx0ωz-ωyωy-ωz0ω1ωzωy-ωx0---(3)]]>a_m和ω_m分别为加速度计和陀螺的输出值，ξ_m和ξ_ω分别是加速度计和陀螺的测量误差，g为重力加速度；ω_x、ω_y、ω_z为着陆器的旋转角速度沿本体系三个轴的分量；步骤2：建立行星动力下降段的着陆器自主导航测量模型；设不同波束方向在着陆点固连坐标系下的单位矢量表示为d_j,j=1,2,…,n，n为波束数量，有：[d1d2···dn]3×n=Tbl·S3×n---(4)]]>其中S_3×n为n个波束方向在本体系下的单位矢量矩阵；设着陆器沿TDS的不同波束方向距行星表面的距离为r_j,j=1,2,…n，则有：r_j=z/(d_j·[0 0 1]^T)                （5）设着陆器沿不同波束方向的速度为v_j,j=1,2,…n，则有：v1v2···vn=Sn·3·TlbvxvyvzL---(6)]]>S_n×3和分别为S_3×n和的转置；将导航相机对特征点的观测视线之间的夹角作为观测量；在相机视野范围内找到m个特征点，在着陆点固连系下的位置矢量为ρ_i,i=1,2,…,m；n个波束形成个观测角；第i个特征点观测视线和第j个特征点观测视线之间的夹角表示为：Aij=(r→-ρ→i)(r→-ρ→j)|r→-ρ→i||r→-ρ→j|---(7)]]>基于TDS和图像测量的导航测量模型为：y=h(x)+υ=RVA+RυVυAυ---(8)]]>式中R=[r₁,…,r_n]，V=[v₁,…,v_n]，A=[A₁₂,…,A_1m,A₂₃,…,A_2m,…,A_(m-1)m]，R_υ、V_υ、A_υ分别为测量误差；步骤3：自主导航滤波解算；根据步骤1得到的行星动力下降段状态方程及步骤2得到的测量模型y=h(x)+υ，通过非线性导航滤波算法估计着陆器的状态；最终输出着陆器的状态信息。