[发明专利]弱引力环境柔性附着系统状态估计方法

说明书

本发明涉及一种弱引力环境柔性附着系统状态估计方法，属于深空探测技术领域。本发明的方法，针对柔性附着过程中多节点状态估计问题，以小天体表面形貌特征的像素坐标作为各节点状态估计的观测量，利用多个节点视觉测量信息构建多节点协同导航的观测方程，引入节点间的几何构型信息作为柔性附着系统状态估计的约束条件，将柔性附着系统位姿估计问题转化为带约束条件的多节点状态估计问题，实现弱引力环境下柔性附着系统状态估计。实现精确安全附着的任务目标。

技术领域

本发明涉及一种弱引力环境柔性附着系统状态估计方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

小天体引力弱、形状不规则，导致其附近动力学环境复杂，加之表面形貌崎岖且先验信息匮乏，在其表面实现安全精确附着十分困难。现有的小天体附着任务，如NASA的“冥王号”任务和JAXA的“隼鸟2号”任务等，主要采用刚体附着方式，刚体着陆器结构简单、技术成熟，但在小天体弱引力环境中极易发生弹跳、倾倒等现象，导致任务失败。为了提高弱引力环境下附着的安全性，小天体附着探测可以采用柔性附着方案，其有助于消耗附着末端的残余动能，为未来的小天体附着探测任务提供了新的技术途径。柔性附着方案中，着陆器搭载敏感器和控制器的局部区域被称为节点，柔性附着过程中的状态估计问题可以被抽象为一个多节点系统的状态估计问题，即通过多节点系统的状态近似表征柔性附着过程中着陆器的状态。为了实现多节点系统的状态估计，现有方法包括集中式卡尔曼滤波，分布式信息滤波，协同图优化等协同状态估计方法，但这些方法均未考虑柔性附着过程中节点间的构型约束。因此，有必要结合柔性附着中多节点状态估计问题的特点，考虑节点间相对距离及方向等约束条件，研究约束下的多节点状态估计方法，提高柔性附着过程中多节点状态估计的精度，实现精确安全附着的任务目标。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的柔性附着系统着陆精度低的问题，提供一种弱引力环境柔性附着系统状态估计方法；该方法针对小天体柔性附着过程的多节点状态估计问题，以多节点导航相机拍摄的小天体表面形貌特征像素坐标为观测量，建立多节点协同观测方程，引入节点间的几何构型信息作为柔性附着系统状态估计的约束条件，实现柔性附着过程中的多节点状态估计。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

弱引力环境柔性附着系统状态估计方法，针对柔性附着过程中多节点状态估计问题，以小天体表面形貌特征的像素坐标作为各节点状态估计的观测量，利用多个节点视觉测量信息构建多节点协同导航的观测方程，引入节点间的几何构型信息作为柔性附着系统状态估计的约束条件，将柔性附着系统位姿估计问题转化为带约束条件的多节点状态估计问题，实现弱引力环境下柔性附着系统状态估计。实现精确安全附着的任务目标。

弱引力环境柔性附着系统状态估计方法，包括如下步骤：

步骤一、将小天体表面形貌特征在各节点相机中的像素坐标作为观测量，通过与形貌数据库进行匹配建立多节点状态估计的协同观测方程。

在地面站的支持下，小天体着陆器在绕飞过程中可以建立详尽的目标天体表面形貌数据库，从而确定导航陆标在小天体固连坐标系下的三维位置。选取形貌特征点作为小天体附着过程中的导航陆标，常用的形貌特征点包括SIFT特征点、角点和陨石坑中心点等。

着陆器的着陆器本体坐标系o_B-x_By_Bz_B为基准观测坐标系。着陆器本体坐标系o_B-x_By_Bz_B的原点o_B为着陆器质心，三轴方向分别指向着陆器三个惯性主轴的方向。定义各节点相机在导航基准坐标系的位置和指向为

([R¹|t¹],…,[R^m|t^m])(1)