CN101762273A - 一种深空探测器软着陆自主光学导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深空探测器软着陆自主光学导航方法，属于航天航空领域。本发明首先读取目标着陆点在光学导航相机所拍摄的图像平面上对应的像元和像线坐标，以及探测器分别在三个激光测距仪安装方向上与着陆平面之间的距离；其次利用所得到的三个激光测距仪测得的距离，以及已知的测距仪的安装方位角及俯仰角，确定探测器相对目标天体着陆平面的姿态；再次利用得到的三个激光测距仪测得的距离d_i以及目标着陆点的像元和像线坐标，确定探测器与目标着陆点之间的位置关系；最后对探测器相对着陆区的位置、速度、姿态以及角速度信息进行滤波估计。本发明具有高可靠性、低成本、强实时性的特点，可以高精度地确定探测器相对目标着陆点的位置、姿态状态。

Description

一种深空探测器软着陆自主光学导航方法

技术领域

本发明涉及一种深空探测器的自主导航方法，特别是一种深空控测器在软着陆过程中利用光学信息进行自主导航的方法，属于航天航空领域。

背景技术

探测器软着陆目标天体将是未来深空探测最复杂的任务之一，为了保证着陆任务的成功完成，必须控制探测器在精确到达目标着陆点的同时，保证其相对速度为零、姿态垂直目标天体表面，因此需要精确地确定探测器相对目标天体的位置、速度与姿态。由于存在较长的通讯延迟，采用传统的基于深空网的导航模式已无法满足实现高精度软着陆的需要。传统的惯性自主导航系统由于初始对准误差、常值漂移以及模型不确知参数的存在，致使导航精度较低，不能精确地完成深空软着陆任务。基于自主光学信息的导航方式由于具有自主性强、精度高、实时性好等优点，已成为近年来各国学者研究的热点，并逐渐在深空探测任务中应用试验。自主光学导航方法是直接关系到深空探测软着陆任务完成质量的关键技术，甚至关系到整个任务的成功与否，因此深空探测器软着陆自主光学导航方法是当前各国航天科研部门重点发展的研究方向之一。

在已发展的深空探测器软着陆自主光学导航方法中，在先技术[1](参见MisuT，Hashimoto T，Ninomiya K.Optical guidance for autonomous landing ofspacecraft[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1999，35(2)：459-472.)，日本Toshihiko等以MUSES-C任务为背景提出利用光学相机跟踪目标天体表面三个特征点，同时利用激光测距仪测量探测器相对每个特征点的距离，获得探测器相对每个特征点的矢量信息，进而通过构建特征点坐标系确定探测器在该坐标系下的位置和姿态等状态。该方法需要安装万向节以调节激光测距仪的指向，这样不仅增加了系统的复杂程度，还降低了可靠性。同时由于该方法还需要考虑特征点溢出、继承等问题，导致软件算法计算效率较低、鲁棒性较差。

在先技术[2](参见SeidenstickerK J，Mohlmann D，Apathy I，et al.SESAME-An experiment of the Rosetta lander Philae：Objectives and general design[J].SpaceScience Reviews，2007，128(1)：301-337.)，欧空局的Rosetta任务计划利用四套激光测距仪与多普勒雷达确定探测器相对着陆区的高度、速度和姿态信息。该方法由于能够直接测量到位置、姿态状态的相关信息，因此具有可靠性高、实时性好等优点。但是该方法采用了八套测距、测速设备，导致任务成本的提高，降低了科学有效载荷的携带质量，不满足未来深空探测任务“更快、更便宜和更好”的发展要求。同时该方法对于位置状态仅能测量高度信息，无法获得探测器相对目标着陆点，不能支持完成高精度软着陆任务。

在先技术[3](参见Johnson A E，Cheng Y，Matthies L H.Machine vision forautonomous small body navigation[C].IEEE Aerospace Conference Proceedings，2000，7：661-671.)，美国JPL实验室的Johnson等提出了一套基于计算机视觉的软着陆导航方案，通过利用光学导航相机跟踪多帧图像特征点，结合激光测距仪数据，采用视觉导航原理对探测器运动进行估计，同时完成对着陆区地形的重构。该方法仅采用了一部导航相机和一套激光测距仪，因此任务成本低，但这也带来了测量数据少，探测器状态不能完全确定的缺点，实际上该方法是一种运动估计方法，只对探测器的图像帧间的运动进行估计，无法确定探测器相对于目标天体表面的位置、姿态信息。同时该算法较为复杂，并且由于存在特征点的误匹配，因此不能严格保证算法的计算精度。

发明内容

本发明的目的是为解决现有自主光学导航技术的系统复杂程度高，不能支持完成高精度软着陆任务的问题，针对深空软着陆任务自主性、实时性的需求，提出了一种深空探测器软着陆自主光学导航方法。

本发明所述方法的设计思想为：利用激光测距仪和光学导航相机跟踪目标着陆点进行自主导航，利用测距矢量以及目标点之间的几何关系，确定着陆平面法向方向和目标点位置。在探测器下方固定安装三个成指定角度的激光测距仪，测量在安装方向上探测器与着陆平面之间的距离。由于激光测距仪安装的角度信息已知，因此可以获得三个激光测距仪在探测器相机坐标系中的安装方向上与目标天体表面相交点的矢量表示形式。利用这三个测距矢量能够确定着陆平面的法向方向，同时光学相机提取目标着陆点的像元像线信息，结合三个测距矢量信息，可以确定目标着陆点在探测器相机坐标系下的三维位置。将着陆平面法向量信息和目标点位置信息分别作为轨道确定滤波器与姿态确定滤波器的观测量，对探测器相对目标天体的位置、姿态、速度等信息进行估计。

本发明的一种深空探测器软着陆自主光学导航方法，具体实现步骤为：

步骤1，读取目标着陆点在光学导航相机所拍摄的图像平面上对应的像元p和像线l坐标，以及探测器分别在三个激光测距仪安装方向上与着陆平面之间的距离d_i。

利用光学导航相机跟踪预先选定的目标着陆点，获得目标着陆点在光学导航相机所拍摄的图像平面上对应的像元p和像线l坐标，像元p和像线l坐标与目标着陆点相对探测器位置之间关系可用下式表示

$p=f\frac{x}{z}$ $l=f\frac{y}{z}$

其中x，y和z为目标着陆点在探测器相机坐标系下的三轴位置坐标，f为导航相机焦距。

三个激光测距仪测得在自身安装方向上，探测器与着陆平面之间的距离d_i。d_i与目标着陆点相对探测器位置之间关系可用下式表示

$d_i=\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}(i=\mathrm{1,2,3})$

其中x_i，y_i和z_i为第i个激光测距仪与着陆平面相交点在探测器相机坐标系下的坐标。

步骤2，利用步骤1得到的三个激光测距仪测得的距离d_i，以及已知的测距仪的安装方位角及俯仰角θ_i，

确定探测器相对目标天体着陆平面的姿态。利用三个激光测距仪的测量数据d_i(i＝1，2，3)和测距仪的安装方位角及俯仰角θ_i，

构建三个测距矢量

其中为三个激光测距仪的测距矢量。利用这三个测距矢量，确定着陆平面法线在探测器本体坐标系下的指向，即着陆平面的单位法向量

$\stackrel{\→}{n}=\frac{({\stackrel{\→}{n}}_2-{\stackrel{\→}{n}}_1)\×({\stackrel{\→}{n}}_3-{\stackrel{\→}{n}}_1)}{|({\stackrel{\→}{n}}_2-{\stackrel{\→}{n}}_1)\×({\stackrel{\→}{n}}_3-{\stackrel{\→}{n}}_1)|}$

步骤3，利用步骤1得到的三个激光测距仪测得的距离d_i以及目标着陆点的像元p和像线l坐标，确定探测器与目标着陆点之间的位置关系。

探测器相机坐标系下目标着陆点的位置矢量可表示为

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}=\frac{d}{\sqrt{p^2+l^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}p\\ l\\ f\end{array}\right]$

其中d为探测器与目标着陆点之间的距离。

距离d可以通过激光测距仪指向方向与目标着陆点之间的几何关系进行构建：

$d=\frac{1}{3}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\stackrel{\→}{n}\·{\stackrel{\→}{n}}_i}{\stackrel{\→}{n}{\·\stackrel{\→}{n}}_p}{d}_i$

其中 ${\stackrel{\→}{n}}_p={\left[\begin{array}{ccc}p& l& f\end{array}\right]}^T/\sqrt{p^2+l^2+f^2}$ 为目标着陆点在探测器相机坐标系下的单位方向矢量。

步骤4，在步骤2、步骤3得到的探测器相对目标着陆点的姿态及位置的基础上利用导航滤波器进行滤波后得到探测器的速度及角速度信息在分别解算出代表相对姿态、位置信息的着陆平面的单位法向量

和目标着陆点的位置矢量

后，结合探测器着陆动力学，利用导航滤波器，可以在抑制观测噪声与系统噪声影响的同时，得到对探测器相对着陆点的速度以及角速度更为精确信息。

至此完成了对深空探测器软着陆的自主光学导航过程。

有益效果

本发明所给出的深空探测器软着陆自主光学导航方法，具有如下优点：

(1)高可靠性、低成本、强实时性，可以高精度地确定探测器相对目标着陆点的位置、姿态状态；

(2)利用固定安装的激光测距仪，避免了万向节这种转动部件的引入，提高了系统整体的可靠性；

(3)采用三套激光测距仪和一部导航相机，在不采用多普勒雷达这种高成本仪器的条件下，就确定了探测器相对目标天体表面的状态，在完成期望目标的同时降低了任务的花费成本；

(4)不用考虑特征点溢出、继承等问题，采用简单的代数运算解算探测器的状态，因此软件算法简单、稳定，提高了导航方法的实时性和可靠性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明中的导航观测量几何关系图；

图3为本发明中的探测器与目标着陆点的相对姿态确定示意图；

图4为本发明中的探测器与目标着陆点的相对位置确定示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的与优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本实施例的具体步骤如下：

步骤1，读取目标着陆点在光学导航相机所拍摄的图像平面上对应的像元p和像线l坐标，以及探测器分别在三个激光测距仪安装方向上与着陆平面之间的距离d_i。

利用光学导航相机跟踪预先选定的目标着陆点，获得目标着陆点在光学导航相机所拍摄的图像平面上对应的像元p和像线l坐标，像元p和像线l坐标与目标着陆点相对探测器位置之间关系可用下式表示

$p=f\frac{x}{z}$ $l=f\frac{y}{z}$

其中x，y和z为目标着陆点在探测器相机坐标系下的三轴位置坐标，f为导航相机焦距。

三个激光测距仪测得在自身安装方向上，探测器与着陆平面之间的距离d_i。d_i与目标着陆点相对探测器位置之间关系可用下式表示

$d_i=\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}(i=\mathrm{1,2,3})$

其中x_i，y_i和z_i为第i个激光测距仪与着陆平面相交点在探测器相机坐标系下的坐标。各观测量及相关参数如图2所示。

步骤2，利用步骤1得到的三个激光测距仪测得的距离d_i，以及已知的测距仪的安装方位角及俯仰角θ_i，

确定探测器相对目标天体着陆平面的姿态。利用三个激光测距仪的测量数据d_i(i＝1，2，3)和测距仪的安装方位角及俯仰角θ_i，

构建三个测距矢量

其中为三个激光测距仪的测距矢量。利用这三个测距矢量，确定着陆平面法线在探测器本体坐标系下的指向，即着陆平面的单位法向量

$\stackrel{\→}{n}=\frac{({\stackrel{\→}{n}}_2-{\stackrel{\→}{n}}_1)\×({\stackrel{\→}{n}}_3-{\stackrel{\→}{n}}_1)}{|({\stackrel{\→}{n}}_2-{\stackrel{\→}{n}}_1)\×({\stackrel{\→}{n}}_3-{\stackrel{\→}{n}}_1)|}$

由于激光测距仪测量信息为探测器与着陆平面上相交点之间的距离，这三个空间点在着陆平面内位置不确知，因此，激光测距仪的测量值对绕着陆平面法向旋转的滚动角信息不可观。但是对于着陆任务，仅要求探测器垂直着陆到目标天体表面，即控制探测器纵轴与着陆平面法向保持重合即可，对滚动角没有具体的角度要求，所以该角度不可观并不影响着陆任务的成功实施。相对姿态确定的示意图如图3所示。

步骤3，利用步骤1得到的三个激光测距仪测得的距离d_i以及目标着陆点的像元p和像线l坐标，确定探测器与目标着陆点之间的位置关系。

利用导航相机获取的着陆目标点像素信息和激光测距仪的测距信息，能够确定目标着陆点在探测器相机坐标系下的位置。利用共线方程，探测器相机坐标系下目标着陆点的位置矢量

可表示为

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}=\frac{d}{\sqrt{p^2+l^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}p\\ l\\ f\end{array}\right]$

其中d为探测器与目标着陆点之间的距离。考虑到选择的着陆区较为平坦，并且当探测器距离目标天体较近时，天体表面曲率造成地形起伏不大，着陆区表面可近似看作平面，因此距离信息d可以通过激光测距仪指向方向与目标着陆点之间的几何关系进行构建

$d=\frac{1}{3}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n\·n_i}{n{\·n}_p}{d}_i$

其中， ${\stackrel{\→}{n}}_p={\left[\begin{array}{ccc}p& l& f\end{array}\right]}^T/\sqrt{p^2+l^2+f^2},$ 其为目标着陆点在探测器本体坐标系下的单位方向矢量。相对位置确定的示意图如图4所示。

步骤4，在步骤2、步骤3得到的探测器相对目标着陆点的姿态及位置的基础上利用导航滤波器进行滤波后得到探测器的速度及角速度信息在分别解算出代表相对姿态、位置信息的着陆平面的单位法向量

和目标着陆点的位置矢量

后，结合探测器着陆动力学，利用导航滤波器，可以在抑制观测噪声与系统噪声影响的同时，得到对探测器相对着陆点的速度以及角速度更为精确信息。

至此完成了对深空探测器软着陆的自主光学导航过程。

Claims (1)

1.一种深空探测器软着陆自主光学导航方法，其特征在于：采用三套激光测距仪和一部导航相机，确定探测器相对目标天体表面的状态，包括如下步骤：

步骤1，读取目标着陆点在光学导航相机所拍摄的图像平面上对应的像元p和像线l坐标，以及探测器分别在三个激光测距仪安装方向上与着陆平面之间的距离d_i；

步骤2，利用步骤1得到的三个激光测距仪测得的距离d_i，以及已知的测距仪的安装方位角及俯仰角θ_i，确定探测器相对目标天体着陆平面的姿态；

利用三个激光测距仪的测量数据d_i(i＝1，2，3)和测距仪的安装方位角及俯仰角θ_i，

构建三个测距矢量

其中

为三个激光测距仪的测距矢量。利用这三个测距矢量，确定着陆平面法线在探测器本体坐标系下的指向，即着陆平面的单位法向量

$\stackrel{\→}{n}=\frac{({\stackrel{\→}{n}}_2-{\stackrel{\→}{n}}_1)\×({\stackrel{\→}{n}}_3-{\stackrel{\→}{n}}_1)}{\left|({\stackrel{\→}{n}}_2-{\stackrel{\→}{n}}_1)\×({\stackrel{\→}{n}}_3-{\stackrel{\→}{n}}_1)\right|}$

步骤3，利用步骤1得到的三个激光测距仪测得的距离d_i以及目标着陆点的像元p和像线l坐标，确定探测器与目标着陆点之间的位置关系；

探测器相机坐标系下目标着陆点的位置矢量

可表示为

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}=\frac{d}{\sqrt{p^2+l^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}p\\ l\\ f\end{array}\right]$

其中d为探测器与目标着陆点之间的距离，可以通过激光测距仪指向方向与目标着陆点之间的几何关系进行构建：

$d=\frac{1}{3}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\stackrel{\→}{n}\·{\stackrel{\→}{n}}_i}{\stackrel{\→}{n}\·{\stackrel{\→}{n}}_p}{d}_i$

其中 ${\stackrel{\→}{n}}_p={\left[\begin{array}{ccc}p& l& f\end{array}\right]}^T/\sqrt{p^2+l^2+f^2}$ 为目标着陆点在探测器相机坐标系下的单位方向矢量；

步骤4，在步骤2、步骤3得到的探测器相对目标着陆点的姿态及位置的基础上利用导航滤波器进行滤波后得到探测器的速度及角速度信息

在分别解算出代表相对姿态、位置信息的着陆平面的单位法向量

和目标着陆点的位置矢量

后，结合探测器着陆动力学，利用导航滤波器，在抑制观测噪声与系统噪声影响的同时，得到对探测器相对着陆点的速度以及角速度更为精确信息；

至此完成了对深空探测器软着陆的自主光学导航过程。

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