基于太陽(yáng)觀測(cè)圖像的月球車天文導(dǎo)航.pdf

1、月球車要在月表復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行巡視勘測(cè)以完成科學(xué)探測(cè)任務(wù)，需要導(dǎo)航系統(tǒng)的支持。為了確保它能夠在長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的條件下正確執(zhí)行巡視任務(wù)，它的導(dǎo)航系統(tǒng)要有高度的自主性，特別是高精度定位和定向的能力。可用于月球車的導(dǎo)航方法主要有慣性導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和天文導(dǎo)航等。自主天文導(dǎo)航是誤差有界的絕對(duì)導(dǎo)航，可以修正慣性導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航等相對(duì)導(dǎo)航的累積誤差。在月表其它定向方法都無(wú)效時(shí)，只有天文定向才能為月球車提供絕對(duì)航向信息。在本文基于太陽(yáng)觀測(cè)圖像的月球車天文導(dǎo)

2、航的研究成果中，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.太陽(yáng)敏感器中高性能太陽(yáng)圖像質(zhì)心提取算法
　　 太陽(yáng)敏感器輸出是月球車天文導(dǎo)航的主要信息來(lái)源之一。在月表特殊環(huán)境下，為了減弱月塵對(duì)成像的影響，可以使用視覺(jué)導(dǎo)航中透鏡式相機(jī)作為太陽(yáng)敏感器。針對(duì)太陽(yáng)圖像噪聲以及典型圖像退化的不良影響，提出一種基于Zernike矩的高精度太陽(yáng)質(zhì)心提取算法。采用Sobel算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，Zernike矩重定位亞像素邊緣，用最小二乘法擬合圓心。而當(dāng)圖像存

3、在退化時(shí)，需進(jìn)行有效圓邊緣點(diǎn)檢測(cè)后，再用該法提取質(zhì)心。從理論上分析了Zernike矩亞像素邊緣檢測(cè)對(duì)圓擬合法的改進(jìn)作用。利用仿真圖像和地表實(shí)驗(yàn)圖像，將本文方法與傳統(tǒng)的重心法，帶閾值的重心法和圓擬合法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，本文方法精度更高，具有更好的穩(wěn)定性，可以對(duì)月球車天文導(dǎo)航起良好作用。
　　 2.一種非迭代的月球車天文定位方法
　　 傳統(tǒng)的月球車天文定位方法是迭代解析高度差法(簡(jiǎn)稱迭代算法)，它本質(zhì)上是一種非線性最小二

4、乘估計(jì)算法，在求解過(guò)程中需要位置初始值，然后通過(guò)迭代求解算法，直到收斂。針對(duì)迭代解析高度差法的缺點(diǎn)，提出了一種非迭代的月球車天文定位方法。該法可用于月球車定位，無(wú)需位置初值也無(wú)需迭代求解。另外，它也可以用于獲得迭代算法的初始值，以加快收斂。相比較與迭代算法所用的球面幾何[苗永寬，1983]，非迭代算法主要使用解析幾何。該法計(jì)算速度快，定向精度較高，定位時(shí)受噪聲影響仍舊較大。下文第3部分在抑制噪聲方面做了改進(jìn)。
　　 3.月球車同

5、時(shí)天文定位和定向方法
　　 本文重點(diǎn)提出了月球車靜止條件下同時(shí)天文定位和定向方法，該法無(wú)需迭代，而且可以抑制噪聲影響。具體為采用太陽(yáng)傳感器輸出的太陽(yáng)矢量和傾斜計(jì)的月球車姿態(tài)輸出，聯(lián)合月表太陽(yáng)星歷，最后用姿態(tài)四元數(shù)估計(jì)算法求解。另外還分析了靜止條件下傳感器系統(tǒng)誤差(如安裝位置誤差、偏置等)和隨機(jī)噪聲對(duì)導(dǎo)航的影響，對(duì)這兩類誤差進(jìn)行了聯(lián)合標(biāo)定。接著進(jìn)行月表天文導(dǎo)航的仿真，用該方法得到了仿真結(jié)果。在地表進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并且把地表實(shí)驗(yàn)結(jié)果與地

6、表仿真結(jié)果進(jìn)行比較，有很高的一致性。
　　 4.基于角速度當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型的月球車連續(xù)天文導(dǎo)航方法
　　 準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地獲得行駛過(guò)程中月球車的狀態(tài)信息是其長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)航的關(guān)鍵，為了克服天文導(dǎo)航需要停車條件下進(jìn)行天文定向的缺點(diǎn)，為此提出了一種基于天體觀測(cè)和陀螺角速率測(cè)量的連續(xù)天文導(dǎo)航方法。采用星敏感器觀測(cè)得到的恒星方向矢量信息作為量測(cè)方程；利用本文提出的角速度當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型(AVCSM)建立月球車運(yùn)動(dòng)模型，以及月球車姿態(tài)的四