CN104423273A - 火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法及系统，包括：轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度，根据理论位置获取火星的仿真图像，并投影到屏幕上；光学系统导航模块的相机电路通过一光学镜头对屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像，图像预处理单元使用Sobel算子对火星的模拟图像进行边缘检测，图像质心提取单元根据边缘检测的结果并使用最小二乘法获取火星的模拟图像的圆心；自主导航模块获取火星探测器的位置初始值和速度初始值，根据位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。本发明能够提高导航精度。

Description

火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法及系统

 

技术领域

本发明涉及航天器半物理仿真领域，尤其涉及深空探测捕获段自主导航的半物仿真领域。

 

背景技术

导航不仅是探测器轨道控制的前提和基础，而且也是姿态指向基准的基础，因此，导航对深空探测来说，至关重要。由于地面测控存在大时延和不可见弧段的缺陷，无法实时提供导航数据，尤其是在对测轨精度和实时性要求都非常高的轨道制动段。

深空探测与近地测控最主要的一个差别就是“远”。然而这个“远”字却给深空探测任务带来了诸多的难题。首先最明显的就是通信时延巨大，从火星到地球的通信时延可达45分钟，探测木星和土星等天体的通信时延会更大。巨大的时延给探测器的安全生存问题带来了潜在的威胁。其次，由于距离遥远，深空探测器在巡航段的飞行时间一般都很长，大多都在一年以上。随着深空探测任务的增多，地面测控资源变得非常有限，长时间的巡航给地面测控带来了极大的负担，由此带来的人力资源消耗和运行成本都随着巡航时间的增加而增加。另外，对于有些特殊的飞行探测任务，例如飞越小行星或撞击小行星等，对探测器的导航能力及实时控制能力都有很高的要求，这些仅仅依靠地面测控难以满足任务需求。这就迫切需要自主导航技术来支撑深空飞行的向前发展。

光学导航是当前深空探测自主导航的首选方法，但是，目前我们国家还没有进行过火星探测，也没有在实践中使用过光学自主导航。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法及系统，能够在地面上建立一套光学自主导航半物理仿真系统，以对光学自主导航技术进行深入研究，实现提高导航精度的目标。

为解决上述问题，本发明提供一种火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，包括：

轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度，根据所述理论位置获取火星的仿真图像，并将火星的仿真图像投影到光学系统导航模块的屏幕上；

光学系统导航模块的相机电路通过一光学镜头对所述屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像，光学系统导航模块的图像预处理单元使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测，光学系统导航模块的图像质心提取单元根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心；

自主导航模块获取火星探测器的位置初始值和速度初始值，根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

进一步的，在上述方法中，自主导航模块使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度的步骤之后还包括：

输出显示模块实时显示当前的理论位置和理论速度，并根据所述理论位置和理论速度绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹，及实时显示当前的滤波解算位置和滤波解算速度，并根据所述滤波解算位置和滤波解算速度绘制所述火星探测器的三维滤波运动轨迹。 

进一步的，在上述方法中，根据所述理论位置和理论速度绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹和根据所述滤波解算位置和滤波解算速度绘制所述火星探测器的三维滤波运动轨迹的步骤中，使用STK提供的C#控件AGI Global Control 9绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹和三维滤波运动轨迹。 

进一步的，在上述方法中，轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度的步骤中，根据火星探测器在火星J2000坐标系中的深空轨道力学模型获取所述理论位置和理论速度，所述深空轨道力学模型如下：

     其中，R和V分别表示火星探测器在火星系中的理论位置和理论速度的矢量，r =|| R ||；

表示火星的引力常数和表示太阳、地球或木星的引力常数；

表示太阳、地球或木星在火星J2000坐标系中的位置矢量，；

表示太阳、地球或木星相对火星探测器的位置矢量，即，；

表示除太阳、地球或木星之外的其他外力对火星探测器产生的加速度。 

进一步的，在上述方法中，轨道发生器模块根据所述理论位置获取火星的仿真图像的步骤包括：

轨道发生器模块根据火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置的矢量R获取火星相对于火星探测器的位置(X，Y，Z)，根据火星探测器的位置(X，Y，Z)和所述光学系统导航模块的光学镜头的焦距f得出火星在所述光学镜头的成像平面的坐标、和半径，其中，和表示火星表面任一点的坐标，表示火星的半径，根据所述、和并结合所述光学镜头的成像平面到仿真图像的像素坐标对应倍数k即可得到火星在仿真图像中的像素坐标和半径，其中，k的单位为pixel/mm，然后由所述火星在仿真图像中的像素坐标和半径获取火星的仿真图像。 

进一步的，在上述方法中，光学系统导航模块的图像预处理单元使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测的步骤包括：

所述Sobel算子为  ，利用所述Sobel算子获取火星在所述光学镜头的成像平面的所有边缘坐标点（，），其中表示任意一个像素点及其周边8个像素点所构成的一个像素值矩阵；

根据公式获取所有矫正后的边缘坐标点（，），其中，~分别表示图像横坐标矫正系数，这些系数可以预先测定，~分别表示图像纵坐标矫正系数，这些系数可以预先测定；

从所有矫正后的边缘坐标点（，）中随机抽取三个点计算其形成的圆的圆心坐标和半径，并计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，当所述个数大于一预设阈值时即认为该圆是由火星的边缘形成的圆，否则重新随机抽取三个点计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，直到所述个数大于一预设阈值。 

进一步的，在上述方法中，光学系统导航模块的图像质心提取单元根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心的步骤中，

将所述火星的边缘形成的圆的所有边缘坐标点代入公式，利用最小二乘法求解a、b和c三个参数，所述火星的模拟图像的圆心坐标即为(-a,-b)。 

进一步的，在上述方法中，自主导航模块根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度的步骤包括：

建立导航系统观测模型，其中，表示光学相机的测量噪声；

根据所述导航系统观测模型、所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

进一步的，在上述方法中，建立导航系统观测模型的步骤包括：

在火星J2000坐标系中，火星探测器在相机拍摄时刻的位置为，其中，表示矩阵转置，火星探测器相对于火星中心的方向矢量为：

从火星J2000坐标系到所述光学镜头本体坐标系的转换矩阵记为，该矩阵由火星探测器上的姿态系统给出，则火星J2000坐标系中的方向矢量在所述光学镜头本体坐标系中表示为; 

将矢量向所述光学镜头焦平面投影得到; 

在不考虑光学镜头电磁畸变和光学畸变的情况下，最后得到的光学镜头像元像素为

,

其中，表示从毫米到光学镜头像素的转换矩阵，单位为像素/毫米，和表示光学镜头光轴与像平面的交点；

假设中心点像素为零即，考虑到测量过程中的误差，导航系统观测模型表示为。

 

根据本发明的另一面，提供一种火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，包括：

轨道发生器模块，用于获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度，根据所述理论位置获取火星的仿真图像，并将火星的仿真图像投影到光学系统导航模块的屏幕上；

光学系统导航模块，包括屏幕、光学镜头、相机电路、图像预处理单元和图像质心提取单元，其中，所述相机电路，用于通过所述光学镜头对所述屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像；所述图像预处理单元，用于使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测；所述图像质心提取单元，用于根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心；

自主导航模块，用于获取火星探测器的位置初始值和速度初始值，根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

进一步的，在上述系统中，还包括输出显示模块，用于实时显示当前的理论位置和理论速度，并根据所述理论位置和理论速度绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹，及实时显示当前的滤波解算位置和滤波解算速度，并根据所述滤波解算位置和滤波解算速度绘制所述火星探测器的三维滤波运动轨迹。 

进一步的，在上述系统中，所述输出显示模块使用STK提供的C#控件AGI Global Control 9绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹和三维滤波运动轨迹。 

进一步的，在上述系统中，所述轨道发生器模块根据火星探测器在火星J2000坐标系中的深空轨道力学模型获取所述理论位置和理论速度，所述深空轨道力学模型如下：

     其中，R和V分别表示火星探测器在火星系中的理论位置和理论速度的矢量，r =|| R ||；

表示火星的引力常数和表示太阳、地球或木星的引力常数；

表示太阳、地球或木星在火星J2000坐标系中的位置矢量，；

表示太阳、地球或木星相对火星探测器的位置矢量，即，；

表示除太阳、地球或木星之外的其他外力对火星探测器产生的加速度。

进一步的，在上述系统中，所述轨道发生器模块根据火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置的矢量R获取火星相对于火星探测器的位置(X，Y，Z)，根据火星探测器的位置(X，Y，Z)和所述光学系统导航模块的光学镜头的焦距f得出火星在所述光学镜头的成像平面的坐标、和半径，其中，和表示火星表面任一点的坐标，表示火星的半径，根据所述、和并结合所述光学镜头的成像平面到仿真图像的像素坐标对应倍数k即可得到火星在仿真图像中的像素坐标和半径，其中，k的单位为pixel/mm，然后由所述火星在仿真图像中的像素坐标和半径获取火星的仿真图像。 

进一步的，在上述系统中，光学系统导航模块的图像预处理单元使用的Sobel算子

为  ，利用所述Sobel算子获取火星在所述光学镜头的成像平面的所有边缘坐标点（，），其中表示任意一个像素点及其周边8个像素点所构成的一个像素值矩阵；

所述图像预处理单元根据公式

获取所有矫正后的边缘坐标点（，），其中，~分别表示图像横坐标矫正系数，这些系数可以预先测定，~分别表示图像纵坐标矫正系数，这些系数可以预先测定；

所述图像预处理单元从所有矫正后的边缘坐标点（，）中随机抽取三个点计算其形成的圆的圆心坐标和半径，并计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，当所述个数大于一预设阈值时即认为该圆是由火星的边缘形成的圆，否则重新随机抽取三个点计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，直到所述个数大于一预设阈值。 

进一步的，在上述系统中，光学系统导航模块的图像质心提取单元将所述火星的边缘形成的圆的所有边缘坐标点代入公式，利用最小二乘法求解a、b和c三个参数，所述火星的模拟图像的圆心坐标即为(-a,-b)。 

进一步的，在上述系统中，自主导航模块建立导航系统观测模型

，其中，表示光学相机的测量噪声；

自主导航模块根据所述导航系统观测模型、所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。 

进一步的，在上述系统中，自主导航模块在火星J2000坐标系中，火星探测器在相机拍摄时刻的位置为，其中，表示矩阵转置，火星探测器相对于火星中心的方向矢量为：

从火星J2000坐标系到所述光学镜头本体坐标系的转换矩阵记为，该矩阵由火星探测器上的姿态系统给出，则火星J2000坐标系中的方向矢量在所述光学镜头本体坐标系中表示为; 

将矢量向所述光学镜头焦平面投影得到; 

在不考虑光学镜头电磁畸变和光学畸变的情况下，最后得到的光学镜头像元像素为

,

其中，表示从毫米到光学镜头像素的转换矩阵，单位为像素/毫米，和表示光学镜头光轴与像平面的交点；

假设中心点像素为零即，考虑到测量过程中的误差，导航系统观测模型表示为。 

与现有技术相比，本发明通过轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度，根据所述理论位置获取火星的仿真图像，并将火星的仿真图像投影到光学系统导航模块的屏幕上；光学系统导航模块的相机电路通过一光学镜头对所述屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像，光学系统导航模块的图像预处理单元使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测，光学系统导航模块的图像质心提取单元根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心；自主导航模块获取火星探测器的位置初始值和速度初始值，根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度，能够提高导航精度。 

 

附图说明

图1是本发明一实施例的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法的流程图；

图2是本发明一实施例的半物理仿真方法的运行界面示意图；

图3是本发明一实施例的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法的三轴位置误差示意图；

图4是本发明一实施例的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法的三轴速度误差示意图；

图5是本发明一实施例的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统的模块示意图。

 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，包括步骤S1～步骤S8。

步骤S1，轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度；具体的，考虑火星探测器受到的多种引力影响，轨道发生器模块可提供火星探测器的理论位置和理论速度等信息，从而可根据火星探测器的姿态，以火星探测器的视角显示火星三维仿真图像。在太阳-火星-探测器的三体模型中，火星的引力作用范围半径可以根据如下公式计算：

上式中，表示火星和太阳的质量比，表示火星和太阳之间的平均距离。根据上述公式计算可得：。从地球飞往火星的探测过程中，当探测器与火星之间的距离小于火星的引力作用范围半径时，就认为火星探测器进入到火星探测捕获段的飞行过程中。在捕获段中，火星探测器受到的主要引力源是火星，此外，还考虑太阳、地球和木星的第三体摄动引力。

优选的，步骤S1中，轨道发生器模块根据火星探测器在火星J2000坐标系中的深空轨道力学模型获取所述理论位置和理论速度，在火星J2000坐标系中，建立以火星为中心天体、太阳、地球和木星引力为摄动力的所述深空轨道力学模型如下：

     其中，R和V分别表示火星探测器在火星系中的理论位置和理论速度的矢量，r =|| R ||，表示对求一次导数，表示对求二次导数；

表示火星的引力常数和表示太阳、地球或木星的引力常数；

表示太阳、地球或木星在火星J2000坐标系中的位置矢量，；

表示太阳、地球或木星相对火星探测器的位置矢量，即，；

表示除太阳、地球或木星之外的其他外力对火星探测器产生的加速度。

步骤S2，轨道发生器模块根据所述理论位置获取火星的仿真图像，并将火星的仿真图像投影到光学系统导航模块的屏幕上；

优选的，步骤S2中轨道发生器模块根据所述理论位置获取火星的仿真图像包括：

根据火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置的矢量R获取火星相对于火星探测器的位置(X，Y，Z)，根据火星探测器的位置(X，Y，Z)和所述光学系统导航模块的光学镜头的焦距f得出火星在所述光学镜头的成像平面的坐标、和半径，其中，和表示火星表面任一点的坐标，表示火星的半径，根据所述、和并结合所述光学镜头的成像平面到仿真图像的像素坐标对应倍数k即可得到火星在仿真图像中的像素坐标和半径，其中，k的单位为pixel/mm，然后由所述火星在仿真图像中的像素坐标和半径获取火星的仿真图像。

步骤S3，光学系统导航模块的相机电路通过一光学镜头对所述屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像。具体的，光学系统导航模块包括屏幕、光学镜头、相机电路、图像预处理单元和图像质心提取单元。

步骤S4，光学系统导航模块的图像预处理单元使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测；

优选的，步骤S4包括：

所述Sobel算子为  ，利用所述Sobel算子获取火星在所述光学镜头的成像平面的所有边缘坐标点（，），其中表示任意一个像素点及其周边8个像素点所构成的一个像素值矩阵；

根据公式获取所有矫正后的边缘坐标点（，），其中，~分别表示图像横坐标矫正系数，这些系数可以预先测定，~分别表示图像纵坐标矫正系数，这些系数可以预先测定；

从所有矫正后的边缘坐标点（，）中随机抽取三个点计算其形成的圆的圆心坐标和半径，并计算在给定误差范围Δ内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，当所述个数大于一预设阈值时即认为该圆是由火星的边缘形成的圆，否则重新随机抽取三个点计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，直到所述个数大于一预设阈值，即对所有边缘坐标点，随机抽取3个点计算其形成的圆的圆心坐标和半径，给定误差Δ判断其余的点是否在这个圆的误差允许范围内并计数，当计数大于设定的阈值时即认为这个圆就是火星的边缘形成的圆；若计数小于阈值则重新随机抽取三个点重复上述运算直到得出满足要求的圆。

步骤S5，光学系统导航模块的图像质心提取单元根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心；

优选的，步骤S5包括：

将所述火星的边缘形成的圆的所有边缘坐标点代入公式，即对所有满足条件的边缘坐标点代入该式中，然后利用最小二乘法求解a、b和c三个参数，所述火星的模拟图像的圆心坐标即为(-a,-b)。

步骤S6，自主导航模块获取火星探测器的位置初始值和速度初始值；

步骤S7，自主导航模块根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。具体的，如图2(a)和2(b)所示，滤波初始位置误差为60km，速度误差0.06m/s，光圈最大。

优选的，步骤S7包括：建立导航系统观测模型，其中，表示光学相机的测量噪声；根据所述导航系统观测模型、所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

进一步的，步骤S7中自主导航模块建立导航系统观测模型的步骤包括：

在火星J2000坐标系中，火星探测器在相机拍摄时刻的位置为，其中，表示矩阵转置，火星探测器相对于火星中心的方向矢量为：

从火星J2000坐标系到所述光学镜头本体坐标系的转换矩阵记为，该矩阵由火星探测器上的姿态系统给出，则火星J2000坐标系中的方向矢量在所述光学镜头本体坐标系中表示为; 

将矢量向所述光学镜头焦平面投影得到，其中，f为光学相机的焦距，单位：毫米; 

在不考虑光学镜头电磁畸变和光学畸变的情况下，最后得到的光学镜头像元像素为

,

其中，表示从毫米到光学镜头像素的转换矩阵，单位为像素/毫米，和表示光学镜头光轴与像平面的交点；

假设中心点像素为零即，考虑到测量过程中的误差，导航系统观测模型表示为，其中，表示光学相机的测量噪声。

优选的，步骤S7之后还可包括：

步骤S8，输出显示模块实时显示当前的理论位置和理论速度，并根据所述理论位置和理论速度绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹，及实时显示当前的滤波解算位置和滤波解算速度，并根据所述滤波解算位置和滤波解算速度绘制所述火星探测器的三维滤波运动轨迹。具体的，输出显示模块可通过投影仪显示火星探测器的运动轨迹及其自主导航的计算结果等，输出显示模块可负责生成一幅显示图像并投影至屏幕，图像分为两部分，一部分是探测器运动轨迹，一部分是计算数值的表格，输出显示模块首先根据轨道发生器模块计算的探测器位置、速度信息绘制探测器相对火星的三维运动轨迹，并实时显示当前位置、速度的数值；其次根据自主导航模块的计算结果在上图中同时绘制导航结果中的探测器三维运动轨迹，并实时显示当前位置、速度的数值以及与轨道模拟模块计算的相对误差。 

优选的，步骤S8中，可使用STK提供的C#控件AGI Global Control 9绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹和三维滤波运动轨迹。具体的，轨迹显示部分使用了STK提供的C#控件AGI Global Control 9，使用Connect命令控制参数。先读取实现创建的场景（包括两个火星探测器Satellite分别表示仿真轨道和导航轨道），根据程序接收到的滤波和轨道仿真数据发送SetAnimation、ASTROGATOR等命令更新火星探测器Satellite的位置，显示界面可如图2所示。

本实施例针对探火星飞行过程中不同阶段的自主导航开展研究，尤其是捕获段的自主光学导航，建立地面光学导航半物理仿真系统，验证导航算法可行性，以实现提高导航精度的目标。

 

实施例二

如图5所示，本发明还提供另一种火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，包括轨道发生器模块1、光学系统导航模块2和自主导航模块3。

轨道发生器模块1，用于获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度，根据所述理论位置获取火星的仿真图像，并将火星的仿真图像投影到光学系统导航模块2的屏幕21上。

优选的，所述轨道发生器模块1根据火星探测器在火星J2000坐标系中的深空轨道力学模型获取所述理论位置和理论速度，所述深空轨道力学模型如下：

     其中，R和V分别表示火星探测器在火星系中的理论位置和理论速度的矢量，r =|| R ||；

表示火星的引力常数和表示太阳、地球或木星的引力常数；

表示太阳、地球或木星在火星J2000坐标系中的位置矢量，；

表示太阳、地球或木星相对火星探测器的位置矢量，即，；

表示除太阳、地球或木星之外的其他外力对火星探测器产生的加速度。

优选的，所述轨道发生器模块1根据火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置的矢量R获取火星相对于火星探测器的位置(X，Y，Z)，根据火星探测器的位置(X，Y，Z)和所述光学系统导航模块的光学镜头的焦距f得出火星在所述光学镜头的成像平面的坐标、和半径，其中，和表示火星表面任一点的坐标，表示火星的半径，根据所述、和并结合所述光学镜头的成像平面到仿真图像的像素坐标对应倍数k即可得到火星在仿真图像中的像素坐标和半径，其中，k的单位为pixel/mm，然后由所述火星在仿真图像中的像素坐标和半径获取火星的仿真图像。

光学系统导航模块2，包括屏幕21、光学镜头22、相机电路23、图像预处理单元和图像质心提取单元，

其中，所述相机电路23，用于通过所述光学镜头22对所述屏幕21的投影进行采集以获取火星的模拟图像；

所述图像预处理单元，用于使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测；

所述图像质心提取单元，用于根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心。

优选的，光学系统导航模块2的图像预处理单元使用Sobel算子

为  ，利用所述Sobel算子获取火星在所述光学镜头的成像平面的所有边缘坐标点（，），其中表示任意一个像素点及其周边8个像素点所构成的一个像素值矩阵；

所述图像预处理单元根据公式

获取所有矫正后的边缘坐标点（，），其中，~分别表示图像横坐标矫正系数，这些系数可以预先测定，~分别表示图像纵坐标矫正系数，这些系数可以预先测定；

所述图像预处理单元从所有矫正后的边缘坐标点（，）中随机抽取三个点计算其形成的圆的圆心坐标和半径，并计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，当所述个数大于一预设阈值时即认为该圆是由火星的边缘形成的圆，否则重新随机抽取三个点计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，直到所述个数大于一预设阈值。

优选的，光学系统导航模块2的图像质心提取单元将所述火星的边缘形成的圆的所有边缘坐标点代入公式，利用最小二乘法求解a、b和c三个参数，所述火星的模拟图像的圆心坐标即为(-a,-b)。

自主导航模块3，用于获取火星探测器的位置初始值和速度初始值，根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

优选的，自主导航模块3建立导航系统观测模型

，其中，表示光学相机的测量噪声；

自主导航模块3根据所述导航系统观测模型、所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

优选的，自主导航模块3在火星J2000坐标系中，火星探测器在相机拍摄时刻的位置为，其中，表示矩阵转置，火星探测器相对于火星中心的方向矢量为：

从火星J2000坐标系到所述光学镜头本体坐标系的转换矩阵记为，该矩阵由火星探测器上的姿态系统给出，则火星J2000坐标系中的方向矢量在所述光学镜头本体坐标系中表示为; 

将矢量向所述光学镜头焦平面投影得到; 

在不考虑光学镜头电磁畸变和光学畸变的情况下，最后得到的光学镜头像元像素为

,

其中，表示从毫米到光学镜头像素的转换矩阵，单位为像素/毫米，和表示光学镜头光轴与像平面的交点；

假设中心点像素为零即，考虑到测量过程中的误差，导航系统观测模型表示为。

优选的，本实施的系统还可包括输出显示模块4，用于实时显示当前的理论位置和理论速度，并根据所述理论位置和理论速度绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹，及实时显示当前的滤波解算位置和滤波解算速度，并根据所述滤波解算位置和滤波解算速度绘制所述火星探测器的三维滤波运动轨迹。

较佳的，所述输出显示模块4使用STK提供的C#控件AGI Global Control 9绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹和三维滤波运动轨迹。

实施例二的其它详细内容具体可参见实施例一，在此不再赘述。

综上所述，本发明通过轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度，根据所述理论位置获取火星的仿真图像，并将火星的仿真图像投影到光学系统导航模块的屏幕上；光学系统导航模块的相机电路通过一光学镜头对所述屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像，光学系统导航模块的图像预处理单元使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测，光学系统导航模块的图像质心提取单元根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心；自主导航模块获取火星探测器的位置初始值和速度初始值，根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度，能够提高导航精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。    

Claims (18)

1.一种火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，包括：

轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度，根据所述理论位置获取火星的仿真图像，并将火星的仿真图像投影到光学系统导航模块的屏幕上；

光学系统导航模块的相机电路通过一光学镜头对所述屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像，光学系统导航模块的图像预处理单元使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测，光学系统导航模块的图像质心提取单元根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心；

自主导航模块获取火星探测器的位置初始值和速度初始值，根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

2.如权利要求1所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，自主导航模块使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度的步骤之后还包括：

输出显示模块实时显示当前的理论位置和理论速度，并根据所述理论位置和理论速度绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹，及实时显示当前的滤波解算位置和滤波解算速度，并根据所述滤波解算位置和滤波解算速度绘制所述火星探测器的三维滤波运动轨迹。

3.如权利要求2所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，根据所述理论位置和理论速度绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹和根据所述滤波解算位置和滤波解算速度绘制所述火星探测器的三维滤波运动轨迹的步骤中，使用STK提供的C#控件AGI Global Control 9绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹和三维滤波运动轨迹。

4.如权利要求1所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，轨道发生器模块获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度的步骤中，根据火星探测器在火星J2000坐标系中的深空轨道力学模型获取所述理论位置和理论速度，所述深空轨道力学模型如下：

     其中，R和V分别表示火星探测器在火星系中的理论位置和理论速度的矢量，r =|| R ||；

表示火星的引力常数和表示太阳、地球或木星的引力常数；

表示太阳、地球或木星在火星J2000坐标系中的位置矢量，；

表示太阳、地球或木星相对火星探测器的位置矢量，即，；

表示除太阳、地球或木星之外的其他外力对火星探测器产生的加速度。

5.如权利要求4所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，轨道发生器模块根据所述理论位置获取火星的仿真图像的步骤包括：

轨道发生器模块根据火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置的矢量R获取火星相对于火星探测器的位置(X，Y，Z)，根据火星探测器的位置(X，Y，Z)和所述光学系统导航模块的光学镜头的焦距f得出火星在所述光学镜头的成像平面的坐标、和半径，其中，和表示火星表面任一点的坐标，表示火星的半径，根据所述、和并结合所述光学镜头的成像平面到仿真图像的像素坐标对应倍数k即可得到火星在仿真图像中的像素坐标和半径，其中，k的单位为pixel/mm，然后由所述火星在仿真图像中的像素坐标和半径获取火星的仿真图像。

6.如权利要求5所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，光学系统导航模块的图像预处理单元使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测的步骤包括：

所述Sobel算子为 ，利用所述Sobel算子获取火星在所述光学镜头的成像平面的所有边缘坐标点（，），其中表示任意一个像素点及其周边8个像素点所构成的一个像素值矩阵；

根据公式获取所有矫正后的边缘坐标点（，），其中，~分别表示图像横坐标矫正系数，这些系数可以预先测定，~分别表示图像纵坐标矫正系数，这些系数可以预先测定；

从所有矫正后的边缘坐标点（，）中随机抽取三个点计算其形成的圆的圆心坐标和半径，并计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，当所述个数大于一预设阈值时即认为该圆是由火星的边缘形成的圆，否则重新随机抽取三个点计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，直到所述个数大于一预设阈值。

7.如权利要求6所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，光学系统导航模块的图像质心提取单元根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心的步骤中，

将所述火星的边缘形成的圆的所有边缘坐标点代入公式，利用最小二乘法求解a、b和c三个参数，所述火星的模拟图像的圆心坐标即为(-a,-b)。

8.如权利要求7所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，自主导航模块根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度的步骤包括：

建立导航系统观测模型，其中，表示光学相机的测量噪声；

根据所述导航系统观测模型、所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

9.如权利要求8所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真方法，其特征在于，建立导航系统观测模型的步骤包括：

在火星J2000坐标系中，火星探测器在相机拍摄时刻的位置为，其中，为的转置矩阵，火星探测器相对于火星中心的方向矢量为：

从火星J2000坐标系到所述光学镜头本体坐标系的转换矩阵记为，该矩阵由火星探测器上的姿态系统给出，则火星J2000坐标系中的方向矢量在所述光学镜头本体坐标系中表示为; 

将矢量向所述光学镜头焦平面投影得到; 

在不考虑光学镜头电磁畸变和光学畸变的情况下，最后得到的光学镜头像元像素为

,

其中，表示从毫米到光学镜头像素的转换矩阵，单位为像素/毫米，和表示光学镜头光轴与像平面的交点；

假设中心点像素为零即，考虑到测量过程中的误差，导航系统观测模型表示为。

10.一种火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，包括：

轨道发生器模块，用于获取火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置和理论速度，根据所述理论位置获取火星的仿真图像，并将火星的仿真图像投影到光学系统导航模块的屏幕上；

光学系统导航模块，包括屏幕、光学镜头、相机电路、图像预处理单元和图像质心提取单元，其中，所述相机电路，用于通过所述光学镜头对所述屏幕的投影进行采集以获取火星的模拟图像；所述图像预处理单元，用于使用Sobel算子对所述火星的模拟图像进行边缘检测；所述图像质心提取单元，用于根据所述边缘检测的结果并使用最小二乘法获取所述火星的模拟图像的圆心；

自主导航模块，用于获取火星探测器的位置初始值和速度初始值，根据所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

11.如权利要求10所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，还包括输出显示模块，用于实时显示当前的理论位置和理论速度，并根据所述理论位置和理论速度绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹，及实时显示当前的滤波解算位置和滤波解算速度，并根据所述滤波解算位置和滤波解算速度绘制所述火星探测器的三维滤波运动轨迹。

12.如权利要求11所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，所述输出显示模块使用STK提供的C#控件AGI Global Control 9绘制所述火星探测器的三维理论运动轨迹和三维滤波运动轨迹。

13.如权利要求10所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，所述轨道发生器模块根据火星探测器在火星J2000坐标系中的深空轨道力学模型获取所述理论位置和理论速度，所述深空轨道力学模型如下：

     其中，R和V分别表示火星探测器在火星系中的理论位置和理论速度的矢量，r =|| R ||；

表示火星的引力常数和表示太阳、地球或木星的引力常数；

表示太阳、地球或木星在火星J2000坐标系中的位置矢量，；

表示太阳、地球或木星相对火星探测器的位置矢量，即，；

表示除太阳、地球或木星之外的其他外力对火星探测器产生的加速度。

14.如权利要求13所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，所述轨道发生器模块根据火星探测器在火星J2000坐标系中的理论位置的矢量R获取火星相对于火星探测器的位置(X，Y，Z)，根据火星探测器的位置(X，Y，Z)和所述光学系统导航模块的光学镜头的焦距f得出火星在所述光学镜头的成像平面的坐标、和半径，其中，和表示火星表面任一点的坐标，表示火星的半径，根据所述、和并结合所述光学镜头的成像平面到仿真图像的像素坐标对应倍数k即可得到火星在仿真图像中的像素坐标和半径，其中，k的单位为pixel/mm，然后由所述火星在仿真图像中的像素坐标和半径获取火星的仿真图像。

15.如权利要求14所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，光学系统导航模块的图像预处理单元使用的Sobel算子

为 ，利用所述Sobel算子获取火星在所述光学镜头的成像平面的所有边缘坐标点（，），其中表示任意一个像素点及其周边8个像素点所构成的一个像素值矩阵；

所述图像预处理单元根据公式

获取所有矫正后的边缘坐标点（，），其中，~分别表示图像横坐标矫正系数，这些系数可以预先测定，~分别表示图像纵坐标矫正系数，这些系数可以预先测定；

所述图像预处理单元从所有矫正后的边缘坐标点（，）中随机抽取三个点计算其形成的圆的圆心坐标和半径，并计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，当所述个数大于一预设阈值时即认为该圆是由火星的边缘形成的圆，否则重新随机抽取三个点计算在给定误差范围内的其余的矫正后的边缘坐标点的个数，直到所述个数大于一预设阈值。

16.如权利要求15所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，光学系统导航模块的图像质心提取单元将所述火星的边缘形成的圆的所有边缘坐标点代入公式，利用最小二乘法求解a、b和c三个参数，所述火星的模拟图像的圆心坐标即为(-a,-b)。

17.如权利要求16所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，自主导航模块建立导航系统观测模型

，其中，表示光学相机的测量噪声；

自主导航模块根据所述导航系统观测模型、所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模拟图像的圆心，并使用UKF滤波方法获取火星探测器的滤波解算位置和滤波解算速度。

18.如权利要求17所述的火星捕获段光学自主导航半物理仿真系统，其特征在于，自主导航模块在火星J2000坐标系中，火星探测器在相机拍摄时刻的位置为，其中，表示矩阵转置，火星探测器相对于火星中心的方向矢量为：

从火星J2000坐标系到所述光学镜头本体坐标系的转换矩阵记为，该矩阵由火星探测器上的姿态系统给出，则火星J2000坐标系中的方向矢量在所述光学镜头本体坐标系中表示为; 

将矢量向所述光学镜头焦平面投影得到; 

在不考虑光学镜头电磁畸变和光学畸变的情况下，最后得到的光学镜头像元像素为

,

其中，表示从毫米到光学镜头像素的转换矩阵，单位为像素/毫米，和表示光学镜头光轴与像平面的交点；

假设中心点像素为零即，考虑到测量过程中的误差，导航系统观测模型表示为。