[发明专利]基于观测条件数的深空探测器自主定位路标选取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于观测条件数的深空探测器自主定位路标选取方法，特 别适用于双路标的探测器自主位置确定系统，属于自主导航领域。

背景技术

近目标天体飞行阶段是深空探测任务的核心阶段，主要的科学考察任务将 在该阶段完成，因此需要较高的探测器轨道确定精度，以便科学观测数据的采 集与处理。由于目标天体的自旋状态、引力场模型等这些动力学参数不确知性 和未建模干扰力的存在，探测器所采用的导航方法必须具备较强鲁棒性。同时， 深空目标天体一般距离地球较远，采用传统的基于深空网的导航模式已无法满 足探测任务的高精度与强实时性要求，这要求探测器具有自主导航能力。

自主光学导航能减少操作的复杂性，增强探测器的自主生存能力，扩展探测 器的空间应用潜力。深空天体表面存在大量的陨石坑，其具有较高的可见性与 可分辨性，利用这种地形特征作为定位路标的自主导航方法，具有更好的轨道 确定性能。基于路标导航的深空探测器自主光学导航方法已成为目前研究热点， 其中如何在众多的定位路标中选取合适的路标以便达到期望的性能要求，是基 于路标导航的一个关键技术，直接影响了软件算法的计算效率与探测器的自主 定位能力，决定了探测任务是否能够成功完成，因此路标导航的自主选取方法 是当前科技人员关注的重点问题之一。

在已发展的定位路标自主选取方法中，在先技术[1](参见Debo Sun， Crassidis J L.Observability Analysis of Six-Degree-of-Freedom Configuration  Determination Using Vector Observations[J].Journal of Guidance，Control，and  Dynamics.2002，25(6)：1149-57)，以共线方程作为观测模型，通过极大似然估计 理论得到相对位置、姿态估计系统的最优误差方差矩阵和费歇尔(Fisher)信息 阵；接着，通过对误差方差阵和信息阵的秩、迹和特征值的分析来确定视线测 量相对导航系统的可观性和可观度。这种方法能够定性地分析路标距离探测器 远近对导航精度的影响，但却不能定量地对导航系统的可观度进行分析，无法 给出探测器在轨自主选择定位路标的准则。

在先技术[2](参见Burschka D，Geiman J，Hager G.Optimal landmark  configuration for vision-based control of mobile robots[C].2003 IEEE International  Conference on Robotics and Automation.2003，3：3917-22)，利用观测矩阵的条件 数对平面内移动的机器人的导航选取方法进行了研究，分析了定位路标的位置 对导航精度的影响，并给出了定位路标的选取方法。但是这种方法只适合应用 在平面二维运动空间内的物体，并不适用于深空探测器这种空间三维运动的物 体。

在先技术[3](参见黄翔宇等.深空自主导航系统的可观性分析.宇航学报， 2006，27(3)：332-337)，利用误差协方阵的方式对定位路标的观测对导航精度的影 响，该方法通过对误差协方差阵的奇异值分析，采用数值方法得到了定位路标 位置对导航精度的影响程度。但是由于该方法采用的是数值计算方法，计算量 大，因此这种方法只适合前期的任务分析及地面试验分析，而并不能应用于探 测器在轨的自主定位路标选取。

发明内容

本发明为解决目前基于路标导航的深空探测器尚没有精确可行的定位路标 自主选取方法的问题，针对采用双路标信息进行深空探测器位置确定的导航系 统，提出一种深空探测器自主定位路标选取方法，本方法主要基于观测方程的 条件数来实现。