基于陨石坑拟合椭圆的着陆器位姿估计方法研究

摘要 ........................................................................................................ I

ABSTRACT ........................................................................................... III

第一章绪论 (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.1.1 课题来源 (1)

1.1.2 研究背景及意义 (1)

1.2深空探测着陆任务概述 (2)

1.2.1 近期深空探测着陆任务概述 (2)

1.2.2 未来深空探测任务规划 (5)

1.3 着陆自主导航方法研究现状 (5)

1.3.1 自主光学导航面临的困难 (5)

1.3.2 自主光学导航方法研究进展 (6)

1.4 本文的主要研究内容 (9)

第二章导航相机模型建立及陨石坑匹配算法研究 (10)

2.1 导航相机模型 (10)

2.1.1 导航相机模型建立 (10)

2.1.2 二次曲线 (14)

2.2 陨石坑检测与匹配 (16)

2.2.1 陨石坑检测 (16)

2.2.2 陨石坑匹配 (17)

2.3 本章小结 (18)

第三章基于陨石坑匹配的绝对导航方法研究 (19)

3.1 基于陨石坑匹配的绝对位姿估计方法 (19)

3.1.1 相关坐标系构建 (19)

3.1.2 着陆器运动模型 (20)

3.1.3 着陆器运动参数估计 (22)

3.1.4 位姿误差理论分析 (23)

3.2 数值仿真及结果分析 (25)

3.3 本章小结 (30)

第四章基于帧间陨石坑匹配的相对导航方法研究 (31)

4.1 帧间单应变换原理 (31)

4.1.1 单应矩阵 (32)

4.1.2 帧间图像约束建立 (32)

4.2 基于帧间陨石坑匹配的相对位姿估计方法 (34)

4.2.1 基于帧间陨石坑匹配的单应约束 (34)

4.2.2 单应矩阵估计 (35)

万方数据

4.2.3 相对运动参数估计 (38)

4.3 数值仿真及结果分析 (40)

4.4 本章小结 (45)

第五章基于帧间相对运动与绝对定位融合的导航方法 (46)

5.1 帧间相对运动融合绝对定位的导航方法 (46)

5.2 数值仿真结果及分析 (48)

5.3 本章小结 (53)

第六章总结与展望 (54)

6.1 总结 (54)

6.2 展望 (55)

参考文献 (56)

致谢 (60)

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果目录 (61)

独创性声明 (63)

关于论文使用授权的说明 (63)

万方数据

青岛科技大学研究生学位论文

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1课题来源

本课题来源于973项目—“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”，同时也得到了国家自然科学基金青年基金—“星际着陆自主特征点跟踪策略及误

差分析”的资助。

1.1.2研究背景及意义

从古至今，认识太空、探索宇宙一直是人类不懈的追求。随着航天技术的发展和人类进入空间能力的提升，深空探测已成为继近地卫星、载人航天之后的又

一重要探索领域。通过深空探测，能帮助人类研究太阳系及宇宙的形成与演化，

进而揭示生命的起源与进化；有助于发现和开发人类可利用的能源与资源；有利

于提高人类科学技术水平和促进人类文明进步，有利于人类的可持续发展和扩展

地外空间[1]。21世纪以来，各航天大国和国际空间研究机构纷纷提出各自的深空

探测任务和计划，掀起了深空探测活动的又一个高潮，而着陆器在行星表面实现

精确着陆作为关键的深空探测任务之一，其水平直接决定了探测任务的成功与

否。因此开发新一代精确着陆系统(Pinpoint landing systems, PPL)，以及对着陆过

程的导航方案进行更深入的研究，是当前探测任务亟需解决的难题，也是各国深

空领域研究的热点[2,3]。

传统的导航方法通过地面的深空测控系统与着陆器所载的测控合作目标配合，采用无线电跟踪测量数据，进而获取着陆器相对地面站的径向速度、距离和

角度信息，并以此来确定着陆器的轨道。但是基于地面深空网(DSN)的导航方式

存在一定的局限性：一是着陆器距离地球较远，通信存在较大时延，观测信息的

处理不能满足实时性要求，同时无线电信号容易被其它天体遮挡，导致导航精度

降低；二是观测量需要持续不断的测量，导航系统操作复杂，探测任务成本过高，

降低了深空探测的效率。对比基于地面深空网的导航方式，传统的惯性导航虽不

需要地面测控站的支持，但其作为一种航位推算方法，由于初始状态偏差、惯性

万方数据