[发明专利]一种适应月面崎岖地形的IMU与测距敏感器融合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适应月面崎岖地形的IMU与测距敏感器融合方法，属于月球探测自主导航、制导和控制领域。

背景技术

月球软着陆过程时间短、动态大，需要采用自主的制导、导航和控制方法。月球着陆的自主导航以惯性导航为基础，但是惯性导航是一种外推式的导航方式，其误差会逐步增大；另外惯性导航只能提供绝对的位置、速度计算结果，而月面存在起伏，因此惯性导航不能提供相对月面的高度、速度，不能满足着陆任务的需要。因此，一般月球软着陆的导航都要引入测距修正。测距敏感器能够提供着陆器沿波束方向到月面的斜距测量，是一种相对测量，能够抑制惯性导航的发散，并提供相对月面的高度。

测距修正的基本原理仍然是滤波，但工程应用中主要有两大问题，一是测距信号在修正前的有效性检测判断方法，二是滤波过程中系数矩阵的选取。对于第一个问题，美国的阿波罗飞船采用的是将测距敏感器折算的高度测量与惯性导航给出的高度测量直接比较的方法。由于两个方法获得的高度基准不同（惯性导航是相对参考月面的，测距是相对真实月面的），因此直接比较会存在地形偏差的问题，导致检测门限偏大，漏检率较高。对于第二个问题，阿波罗飞船采用变系数滤波的方法，滤波系数建模为随高度线性变化的函数。根据现代估计理论，最优滤波系数的选择与系统和测量噪声相关，对于着陆过程来说，它取决于加速度计、测距敏感器的测量噪声和地形起伏的不确定性，与高度的变化关系是非线性的，因此直接用线性拟合的作法会丧失最优性。

发明内容

本发明所解决的技术问题：针对月球软着陆过程，提出一种适应崎岖地形的IMU与测距敏感器融合方法，该方法采用不同于以往的测距信号有效性判别方法，来降低该方法受到地形偏差和不确定性的影响；同时采用的变系数滤波系数矩阵是根据最优滤波计算并拟合而来，在降低计算量的同时保证了导航滤波的最优性。

本发明所采用的技术方案为：使用惯性导航外推获得着陆器高度，利用测距敏感器斜距信息进行惯性导航高度修正。在测距敏感器数据引入修正前，将惯性导航和测距敏感器在相同时间间隔内高度变化量的解算结果进行比较，从而进行测距有效性判断。在修正过程中采用的可变的滤波系数矩阵。该矩阵是事先根据不同高度下的敏感器测量噪声和地形随机起伏使用卡尔曼滤波计算而来，并拟合为随高度变化的非线性函数。实现步骤如下：

（1）惯性导航

利用运动学方程，使用加速度计和陀螺测量的数据进行着陆器相对月心惯性系（原点在月心，三个坐标轴指向惯性空间特定方向）的位置、速度和姿态的外推。

（2）惯性导航解算高度

根据装订的参考月面半径数值，利用步骤（1）中惯性导航给出的相对月心的位置信息计算出相对参考月面的高度。

（3）测距敏感器解算高度

将着陆器上安装的测距敏感器获得的波束方向相对月面的斜距信息，通过步骤（1）中由惯性导航提供的着陆器姿态，解算出相对实际月面高度的测量值。

（4）有效性判断

根据相邻两个周期惯性和测距敏感器的高度输出，分别计算着陆器的高度变化。将步骤（2）和步骤（3）中分别由惯性导航和测距敏感器获得的高度变化数值进行比较，若小于预先设定的检测门限则判断测距信息有效，引入修正，转入步骤（5）。

（5）滤波修正

若测距信息有效，则对步骤（3）和步骤（4）中由惯性导航和测距敏感器获得的高度做差，并利用预先设定的最优滤波系数对惯性导航位置、速度进行滤波修正。最优滤波系数矩阵可设计为高度的函数，它根据不同高度下的测量噪声和地形随机起伏使用卡尔曼滤波求取，并通过非线性曲线拟合后装订在星载计算机上。

所述步骤（4）中通过比较一段时间内由惯性导航和测距敏感器分别获得的着陆器高度变化来进行测距信号有效性检测。

所述步骤（4）中的检测门限设计为着陆器高度的函数，并预先装订在星载计算机上。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过比较测距和惯性导航分别获得的同一时间段内的着陆器高度变化进行测距有效性检测，从而剔除月面基准误差对检测门限的影响，降低漏检率；滤波系数矩阵根据不同高度下的敏感器测量噪声和地形随机起伏大小使用卡尔曼滤波计算，并通过非线性曲线进行拟合，这样在减小计算量的同时还能够保证滤波的最优性。

附图说明

图1是IMU和测距敏感器融合方法的流程图；

图2是着陆过程测距敏感器高度解算和检测的原理图；

图3是着陆过程崎岖月表地形建模示意图；

图4是测距有效性检测的门限随高度变化曲线；