[发明专利]一种结合IMU和导航影像的月面巡视器快速定位方法

说明书

一种结合IMU和导航影像的月面巡视器快速定位方法，属于深空探测技术领域，包括：构建巡视器零位坐标系及像空间辅助坐标系；提取导航相机焦距、导航相机摄影中心和巡视器质心与巡视器零位坐标系原点间偏移量、巡视器俯仰角度、偏航角度和IMU三轴姿态角；计算像空间辅助坐标系与巡视器零位坐标系间旋转矩阵、着陆器当地铅垂坐标系与巡视器零位坐标系间旋转矩阵；从导航影像中提取像点及其对应的月面点坐标；计算导航影像摄影中心当地铅垂坐标系坐标；计算巡视器质心坐标，完成定位；本发明克服了车轮打滑导致定位误差大、定位精度随里程积累下降等问题；至少只需要1点即可定位，当影像纹理信息匮乏，特征点少时也可定位；实现简单，耗时少。

技术领域

本发明属于深空探测技术领域，具体涉及一种结合IMU和导航影像的月面巡视器快速定位方法。

背景技术

巡视器的高精度导航定位技术是深空探测领域中的关键技术之一，高精度的定位结果不仅可以确保巡视器的安全，而且可以使巡视器与地面控制系统通信时具有较好的指向角度，进而为实现资源勘查等科学考察任务提供基础。目前，月面巡视器的导航定位方法主要分为三类，包括：基于VLBI的定位方法、基于里程计和IMU结合的定位方法和基于摄影测量的定位方法。

(1)基于VLBI的定位方法研究现状：

刘庆会等(2010)提出了超高精度多频点同波束VLBI技术的月球车精密相对定位方法，在得到误差10m的着陆区月面地形图后，利用多频点同波束VLBI差分相位时延和测距数据,有望实现误差10m的月球车在月面上的相对定位。魏二虎等(2016)提出了联合VLBI和天文导航的月球车定位方法，定位结果在纬度方向误差范围在-33至31m，经度方向误差范围在5.5至6.5m。上述定位结果的精度无法满足巡视器科学考察的需求。

童锋贤等(2014)先将探月VLBI结果转为通用FITS-IDI格式，然后对着陆器和巡视器进行相位参考成像，得到巡视器天线相对于着陆器天线的位置，相对定位精度约1m。但是该方法的定位过程中需要用到巡视器和着陆器天线的相对高度差，而该高度差无法精确获取，因此，其定位结果需要借助其他手段获取该值，当高度差无法精确获取时，定位结果的精度会大幅度降低。

李培佳等(2014)利用同波束VLBI数据进行月面巡视器与着陆器的相对定位，标称精度优于1m。黄勇等(2014)采用VLBI差分相时延计算得到巡视器相对于着陆器的相对位置，误差在1m左右。昌胜骐等(2015)提出利用搜索法对巡视器和着陆器的相对位置进行确定，并与统计定位结果比较，位置差小于1m。周欢等(2015)提出了采用天文同波束相位参考成图技术进行深空探测器相对定位的方法，巡视器相对着陆器定位精度达到米级。郭丽等(2016)采用中国VLBI网的同波束技术对嫦娥三号巡视器进行了跟踪测量，获得了1M的相对定位精度。

(2)基于IMU结合里程计定位方法研究现状：

夏凌楠等(2013)提出结合惯性传感器和视觉里程计的定位算法，以扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter，EKF)为框架，利用惯性传感器的航位推算构建EKF的过程模型，视觉里程计作为相对线速度和相对角速度传感器用来建模观测方程，优化了定位结果。但是上述方法并没有针对月面重力仅为地球1/6的情况下的车轮打滑导致里程计观测出现较大误差的情况开展研究。李宇等(2015)提出了一种基于联邦滤波的IMU/里程仪组合导航方法，提高了组合导航定位系统精度和稳健性。但是其实验仅仅是在地球上做了测试，并没有采用真实的嫦娥三号的实验数据进行测试。因此，其对巡视器定位的适用性有待商榷。刘传凯等(2014)提出了惯导与视觉组合定姿定位方法，但是该方法并没有真正意义上的实现惯导与摄影测量方法的组合，而是仅仅将惯导参数作为光束法迭代计算的初值，当月面特征点较少时，无法完成定位。

(3)基于摄影测量的巡视器定位方法研究现状：