一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法技术

一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，属于航天器导航制导控制技术领域，包括以下步骤：S1、建立视觉辅助惯性导航的离散时间状态和观测误差方程；S2、根据离散时间系统可观测性矩阵的秩，分析可观测状态收敛的最少观测次数；S3、针对未知环境，本发明专利技术设计了可观测度指标，在限制特征点个数的条件下，确定可观测度最高的特征点；S4、构建了观测策略，利用S2所述最少观测次数的结论及S3所述可观测度指标确定特征点的切换时机。可观测度指标确定特征点的切换时机。可观测度指标确定特征点的切换时机。

【技术实现步骤摘要】
一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法


[0001]本专利技术涉及一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，属于航天器导航制导控制


技术介绍

[0002]2020年，中国和美国先后发射了火星探测器并实施着陆任务，其中，高精度自主导航是保障着陆器顺利精确定点着陆的关键。惯性测量单元(IMU)是探测器携带的基本自主导航器件，但由积分带来的导航误差累积是惯性导航缺陷。因此常用结合外部测量设备来提高导航精度。
[0003]为实现10至100米级别的行星精确着陆，NASA和ESA从上世纪末开始研究基于视觉的相对导航技术。将序列图像辅助惯性测量单元的导航方法利用在着陆过程中是可行的，并且能够获得高精度的导航结果。这种基于序列图像和惯性测量单元组合的自主导航方法通常被称为视觉辅助惯性导航(VAIN)。
[0004]目前针对视觉辅助导航的可观测性研究已取得一定进展，但仍然存在以下不足：
[0005](1)已有论文都是针对特定观测条件的，缺乏对相同特征点观测次数的讨论。如果能分析出不同观测方案中的可观测性，就能指导工程实践中选择更好的观测方案，获得满足可观测需求的边界条件。观测所需的最低次数是保证导航系统收敛的必要条件，可以用于指导观测策略的设计。
[0006](2)关于VAIN问题可观测性的研究主要集中于可观测的性质，用于探究系统的不可观测方向，但用于描述导航系统精度的可观测度的研究较少。但已有的研究方法仅适用于飞行前设计数据库或着陆后分析滤波过程，没法做到着陆过程中在线评估并指导特征点选取。在着陆阶段内，着陆器受到计算能力的限制，如果能通过在线计算可观测度来选择对导航精度贡献更大的特征点，就能在尽可能观测少量特征点的情况下获得较高导航精度。

技术实现思路

[0007]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，系统地分析视觉辅助惯性导航方法的可观测性，设计一种用于可观测度指标和观测策略，用于指导着过程中自主规划特征点。
[0008]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，包括如下步骤：
[0009]S1、建立视觉辅助惯性导航的离散时间的状态方程和观测误差方程；
[0010]S2、根据离散时间系统可观测性矩阵的秩，确定可观测状态收敛的最少观测次数；
[0011]S3、设定可观测度指标，在限制特征点个数的条件下，确定可观测度最高的特征点；
[0012]S4、构建观测策略，利用步骤S2所述最少观测次数及步骤S3所述可观测度指标确定特征点的切换时机。
[0013]所述步骤S1的具体过程为：
[0014]11)计算得到视觉辅助惯性导航的连续时间状态方程；
[0015]12)计算得到陆器误差状态的连续时间误差状态方程；
[0016]13)计算得到离散时间状态误差方程；
[0017]14)计算得到离散时间的观测误差方程。
[0018]所述步骤11)计算得到视觉辅助惯性导航的连续时间状态方程为：
[0019][0020]式中：r、v表示着陆器在着陆坐标系下的位置、速度矢量；表示r、v的导数；q表示从着陆坐标系到本体坐标系的姿态四元数；C(q)表示q对应的姿态转移矩阵；g表示着陆系下的重力加速度；和表示IMU输出的加速度和角速度；
[0021]所述步骤12)计算得到陆器误差状态的连续时间误差状态方程具体为：
[0022]定义和分别是r和v的误差，δθ表示姿态角误差；误差状态矢量表示为
[0023]则着陆器误差状态的连续时间误差状态方程表示为：
[0024][0025]式中：表示的导数；系统噪声定义为n
a
、n
ω
分别表示IMU的加速度漂移噪声和角速度漂移噪声；漂移噪声和角速度漂移噪声；03×3∈R3×3表示3
×
3的零矩阵；I3∈R3×3表示3
×
3的单位矩阵；假设观测到n
s
个位置已知的特征点，简称已知点，和n
p
个位置未知的特征点，简称为未知点，r
pi
表示第i个特征点p
i
在着陆坐标系{L}下的坐标，是已知点，是未知点；未知点的位置状态矢量表示为未知点未知的连续时间状态方程为
[0026][0027]式中：表示x
p
的导数；
[0028]所述步骤13)计算得到离散时间状态误差方程的具体过程为：
[0029]待估计的状态是着陆器状态与特征点位置的组合待估计的状态是着陆器状态与特征点位置的组合从i时刻到j时刻的离散时间状态误差方程表示为
[0030][0031]式中：右上角标i表示第i时刻，(j，i)表示从第i到第j时刻；着陆器状态的状态
转移矩阵式中：Δt表示离散时间间隔；；
[0032]所述步骤14)计算得到离散时间的观测误差方程的具体过程为：
[0033]设ri表示着陆系{L}下由着陆器指向特征点p
i
的矢量，测量量
b
e
i
是r
i
旋转到本体系{B}后的单位矢量，观测方程为：
[0034][0035]k时刻的测量量为观测每个特征点的方向矢量z
(k)
的估计值是则z
(k)
的测量误差为：
[0036][0037]离散时间的观测误差方程为：
[0038][0039]式中：η
(k)
表示测量噪声；表示测量噪声；
[0040]所述步骤S2中所述的可观测状态的最少观测次数为3次。
[0041]所述步骤S3中所述的可观测度指标为：
[0042][0043]假设p1为已知点，p2为未知点，C为着陆器位置，在观测剖面Cp1p2中，α∈[arcsin(z
v
/||r||)，min(π
‑
β，π/2))表示r与r
p2
之间的夹角，r＝
‑
r1，z
v
表示着陆器的高度，观测特征点的向量r1与r2之间的夹角为β∈(0，π
‑
arcsin(z
v
/||r||))，并且构成三角形要求α+β＜π；δr表示可观测度指标；表示观测上一特征点时的位置误差界；姿态估计误差界为P是扩展卡尔曼滤波器的协方差矩阵，P(7：9，7：9)表示P矩阵中7至9行，7至9列的子块；μ表示扩张参数。
[0044]所述步骤S4所述的观测策略为：
[0045](1)令α＝arcsin(z
v
/||r||)；
[0046](2)求解β
*(k)
＝arg min(δr(β，μ＞0))，沿β＝β
*(k)
方向观测特征点，滤波3个周期；
[0047](3)如果着陆器着陆，则退出本方法；如果着本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立视觉辅助惯性导航的离散时间的状态方程和观测误差方程；S2、根据离散时间系统可观测性矩阵的秩，确定可观测状态收敛的最少观测次数；S3、设定可观测度指标，在限制特征点个数的条件下，确定可观测度最高的特征点；S4、构建观测策略，利用步骤S2所述最少观测次数及步骤S3所述可观测度指标，确定特征点的切换时机。2.根据权利要求1所述的一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程为：11)计算得到视觉辅助惯性导航的连续时间状态方程；12)计算得到陆器误差状态的连续时间误差状态方程；13)计算得到离散时间状态误差方程；14)计算得到离散时间的观测误差方程。3.根据权利要求2所述的一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，其特征在于，所述步骤11)计算得到视觉辅助惯性导航的连续时间状态方程为：式中：r、v表示着陆器在着陆坐标系下的位置、速度矢量；表示r、v的导数；q表示从着陆坐标系到本体坐标系的姿态四元数；C(q)表示q对应的姿态转移矩阵；g表示着陆系下的重力加速度；和表示IMU输出的加速度和角速度；4.根据权利要求3所述的一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，其特征在于，所述步骤12)计算得到陆器误差状态的连续时间误差状态方程具体为：定义和分别是r和v的误差，δθ表示姿态角误差；误差状态矢量表示为则着陆器误差状态的连续时间误差状态方程表示为：式中：表示的导数；系统噪声定义为n
a
、n
ω
分别表示IMU的加速度漂移噪声和角速度漂移噪声；移噪声和角速度漂移噪声；03×3∈R3×3表示3
×
3的零矩阵；I3∈R3×3表示3
×
3的单位矩阵；假设观测到n
s
个位置已知的特征点，简
称已知点，和n
p
个位置未知的特征点，简称为未知点，r
pi
表示第i个特征点p
i
在着陆坐标系{L}下的坐标，是已知点，是未知点；未知点的位置状态矢量表示为未知点未知的连续时间状态方程为式中：表示x
p
的导数。5.根据权利要求4所述的一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，其特征在于，所述步骤13)计算得到离散时间状态误差方程的具体过程为：待估计的状态是着陆器状态与特征点位置的组合待估计的状态是着陆器状态与特征点位置的组合从i时刻到j时刻的离散时间状态误差方程表示为式中：右上角标i表示第i时刻，(j,i)表示从第i到第j时刻；着陆器状态的状态转移矩阵式中：Δt表示离散时间间隔；Δt表示离散时间间隔；6.根据权利要求5所述的一种行星软着陆过程的自主导航序列图像特征优化选取方法，其特征在于，所述步骤14)计算得到离散时间的观测误差方程的具体过程为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大轶，李嘉兴，徐超，董天舒，葛东明，朱卫红，邓润然，侯博文，孙博文，李佳宁，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：