[发明专利]小行星表面光学导航路标评价选取方法

说明书

本发明公开的小行星表面光学导航路标评价选取方法，特别适用于利用陨石坑作为路标进行深空探测器位置和姿态自主确定的导航系统，属于自主导航领域。本发明实现方法为：在导航相机图像中利用图像处理算法检测和提取小行星表面陨石坑信息；对检测提取的陨石坑信息进行椭圆拟合与陨石坑中心定位。利用拟合的椭圆方程，根据不确定性传播特性，求取陨石坑的误差协方差矩阵进而得到描述陨石坑误差不确定性的误差椭圆长短半轴a和b，作为评价陨石坑观测质量的指标，从而为深空探测器提供精确可行的定位路标自主选取方法，选取最优的导航路标，进而提高深空探测器导航路标选取的精确性，从而提高深空探测器位置姿态的导航精度。

技术领域

本发明涉及一种不规则小行星表面的深空探测器光学导航路标的评价选取方法，特别适用于利用陨石坑作为路标进行深空探测器位置和姿态自主确定的导航系统，属于自主导航领域。

背景技术

近目标天体飞行将是未来深空探测最核心的任务之一，深空探测航行距离远、时间长，传统的测控方式存在较大的通信延迟。另外，深空动力学环境复杂，采用传统的基于地面遥控的导航、控制模式已无法满足实现高精度探测的需要，这要求探测器必须具有自主导航功能。传统的惯性导航虽不需要地面深空测控网的支持，但是星载惯性器件在使用过程中存在不同程度的零漂误差、随机误差以及计算误差积累，无法满足深空探测的精确导航任务要求。随着计算机硬件技术的突破和光学敏感器件的发展，使得基于星载计算机和光学导航相机的自主光学导航方法成为研究热点。其中，小行星表面存在着大量的陨石坑形貌特征作为天然地理地形路标，具有较高的可见性与可分辨性，无需探测器额外携带路标载荷，有效减少任务复杂度，应用前景广泛。

基于陨石坑光学信息作为导航路标的深空探测器自主导航方法已成为目前研究热点，其中，如何在众多的导航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。

在已发展的导航路标自主选取方法中，在先技术[1](Y.Tian,M.Yu.A novelcrater recognition based visual navigation approach for asteroid precise pin-point landing,Aero.Sci.Technol.70(2017)1-9)，基于一步贪婪前瞻策略来最大化交互费舍尔信息，选择激光雷达范围内的行星表面作为可行区域，随后选取可行区域内距离图像中心最远的那些陨石坑作为路标，通过这种陨石坑选择机制来降低探测器的估计不确定性。但是这种方法将所有陨石坑都视为等精度观测，没有考虑到不同陨石坑各自的成像特性和误差不确定性。

在先技术[2](参见崔平远等.基于观测矩阵的深空探测器自主导航路标选取方法:中国,ZL 2010 1 0103514.1[P],2012-01-04)，针对目前基于路标导航的深空探测器尚没有精确可行的导航路标自主选取方法的问题，考虑了导航路标及其与探测器之间位置关系对导航精度的影响，选取三个路标的像素信息进行深空探测器位置、姿态自主确定，提出一种基于观测矩阵的深空探测器自主导航路标选取方法。但是该方法没有对导航路标的质量进行评价，因此只适用于导航路标观测状态相同的情况。

在先技术[3](参见崔平远等.基于观测条件数的深空探测器自主定位路标选取方法:中国,ZL 2010 1 0103515.6[P],2011-11-09)，考虑了路标位置对导航精度的影响，通过对观测矩阵条件数的计算比较，基于观测方程的条件数，选取两个路标构建出探测器在目标天体固联坐标系下的位置，为低轨道飞行的深空探测器提供了精确可行的定位路标自主选取方法。但是该方法忽视了不同导航路标本身的观测误差，并不适用于深空探测器实际任务中行星表面导航路标的选取。