行星探测光学导航方法

本发明涉及一种行星探测光学导航方法，属于月球探测。

背景技术：

1、环形山具有明确、稳定、易于提取结构等优点，广泛分布于月球、火星、小行星、卫星等天体表面，被广泛应用于光学导航。环形山检测算法(crater detection algorithm,cda)是在探测器获取的光学图像或激光高程信息基础上，提取图像中环形山的算法，在基于环形山、石块等特征地形检测的行星探测着陆光学导航系统中必不可少。cda及因其而发展的曲线拟合、半圆拟合等方法应用广泛，相应算法除地形检测外，在行星际航行的天文导航中也有应用。

2、环形山提取方法众多，目前已有采用形态学、明暗分析、canny边缘检测、cnn(convolutional neural networks)、深度学习、极大熵阈值三值化等算法的cda得以提出并应用于月球及行星探测中。从识别环形山的底层逻辑分析，以上算法所形成的研究思路及技术途径主要包括以下两类：一是对环形山的形状、成像、结构等特性进行预先建模，然后用上述某种算法逼近此模型进行环形山识别；二是在不对环形山进行人为具体定义的情况下，把环形山探测数据作为学习样本应用于环形山检测，通过采取机器学习等算法辨识、选择出环形山别于其他地形的典型特征，完成环形山的选取。

3、基于环形山检测的光学导航算法(cdabased optical navigation，cda-opnav)通常不单独使用，而是与惯性导航、天文导航等进行组合，组合方式可分为松散组合和深紧组合，区分标准是对探测信息的利用程度及相互辅助程度。无论采用何种算法进行环形山识别、以哪种方式进行组合导航，其算法内核是一致的，即在识别出月面特征地形条件下，通过对分析光学导航相机成像，构建像物之间的成像数学关系；进而解算出飞行器当前位姿信息，完成障碍相对导航或地形相对导航。

4、近年来，随着月球、火星等深空探测任务的实施与发展，众多研究者针对cda-opnav开展研究，获得了较为丰富成果。在以往研究中，主要存在以下两方面问题：一是对特征信息利用不充分；二是对特征拟合等观测误差在光学导航系统中的传递关系及其影响缺乏明确分析与有效处理。

5、具体而言，在获取月球、火星等天体表面特征地形坐标及其成像关系后，现有光学导航方法直接将测量信息应用于组合导航系统中，未能充分挖掘飞行器在空间中所处位置的分布特性，对环形山等特征信息利用不充分；而无论采用何种特征识别方法，探测到的特征地形、拟合出的椭圆等曲线都不可能与其真实存在的位置和形状完全一致，这种误差随着相机成像投影关系、带误差最小二乘、非线性方程迭代求解等过程被传递到光学导航解算出的探测器位姿信息之中，这其中包含的误差传播特性有必要进行深入分析。

6、传统基于光学环形山探测信息的探测器定位方法通常需要探测4座环形山以完成导航解算。当探测环形山数量低于4座时，为保障导航系统正常运行，常将探测到的环形山等特征地形所对应的观测矢量作为分析对象，以观测矢量误差为观测量构建误差传递方程进行导航。这种光学导航方法有三项不足：

7、1)参考特征地形数量小于4时，光学导航系统计算结果可能不收敛。

8、2)对环形山探测信息利用不足，未能充分分析和利用光学成像数学模型中蕴含的探测器空间位置等参数分布信息。

9、3)部分观测条件下，飞行器位置求解的解空间可能呈现扁平特征，这将给采用梯度下降法等迭代求解方法带来挑战。

技术实现思路

1、针对基于光学环形山的探测器定位方法需要探测的参考特征地形数量不能小于4的问题，本发明提供一种行星探测光学导航方法。

2、本发明的一种行星探测光学导航方法，包括：

3、s1、获取探测器探测到的三座环形山的信息，确定环形山椭圆的中心坐标；

4、s2、根据阿贝尔李群空间圆环面，确定三座环形山中两两环形山形成的空间中定圆l与空间中探测器所处曲面s；构建出三组约束{l,s}与探测器的位置t的关系：

5、t＝{l,s}12∩{l,s}13∩{l,s}23

6、{l,s}的下标表示三组中两组的标号；

7、s3、求解三组约束，得到符合约束的4个解，根据高度约束h＞0及速度方向约束，唯一地确定探测器的位置t；

8、s4、利用探测器的位置t求解探测器的姿态

9、作为优选，空间中定圆l的点集pl,空间中探测器所处曲面s的点集ps；

10、{l,s}为：

11、

12、分别表示地理坐标系中两个环形山的非齐次坐标；

13、d为两环形山间欧氏距离；

14、两环形山在相机坐标系中成像余弦

15、ui、vi表示环形山i的归一化成像非齐次坐标；uj、vj表示环形山j的成像的归一化成像非齐次坐标。

16、作为优选，s4中，探测器的姿态

17、

18、其中，为环形山在地理坐标系下的增广齐次坐标，pc为环形山在相机坐标系下的坐标；为环形山在地理坐标系下的非齐次坐标。

19、作为优选，s1中，环形山椭圆的中心坐标：

20、

21、

22、环形山边缘各点坐标的拟合方程为采用最小二乘法获得参数a和b，δ表示成像误差系数；误差分布

23、h＝h(x)，h(x)为含有误差的环形山坐标点集，表示环形山单点观测残差方差，n表环形山上的观测点个数。

24、作为优选，所述方法还包括：利用环形山成像余弦方差贡献确定环形山观测误差对获得的位置t的影响：

25、

26、环形山i成像余弦方差贡献ψ(xi)及环形山j成像余弦方差贡献ψ(xj)分别为:

27、

28、

29、

30、

31、表示环形山i的相机系三轴坐标；

32、分别表示环形山j的相机系三轴坐标；

33、xtax+btx+1＝0，x为环形山边缘灰度坐标点集，a、b为最小二乘法获得的参数；

34、δ表示成像误差系数；

35、

36、h＝h(x)，h(x)为含有误差的环形山坐标点集，表示环形山单点观测残差方差，i＝1,2,…n，n表环形山上的观测点个数，d表示特征地形条件的数量；

37、

38、分别表示环形山i、j成像像素齐次坐标；

39、

40、ui、vi表示环形山i的归一化成像非齐次坐标；uj、vj表示环形山j的成像的归一化成像非齐次坐标；

41、

42、

43、分别表示环形山i、j中心在地理坐标系的非齐次坐标。

44、作为优选，所述方法还包括：利用环形山成像余弦方差贡献确定环形山观测误差对求解的探测器姿态的影响：

45、

46、环形山i成像余弦方差贡献ψ(xi)及环形山j成像余弦方差贡献ψ(xj)分别为:

47、

48、

49、

50、

51、表示环形山i的相机系三轴坐标；

52、分别表示环形山j的相机系三轴坐标；

53、xtax+btx+1＝0，x为环形山边缘灰度坐标点集，a、b为最小二乘法获得的参数；

54、δ表示成像误差系数；

55、

56、h＝h(x)，h(x)为含有误差的环形山坐标点集，表示环形山单点观测残差方差，i＝1,2,…n，n表环形山上的观测点个数，d表示特征地形条件的数量；

57、分别表示环形山i、j成像像素齐次坐标；

58、

59、ui、vi表示环形山i的归一化成像非齐次坐标；uj、vj表示环形山j的成像的归一化成像非齐次坐标；

60、

61、n＝δtqδtt(δtδtt)-1；

62、q＝(pc)t(pc(pc)t)-1。

63、本发明的有益效果，本发明仅需要三座环形山信息，以阿贝尔李群空间圆环面(torus)描述探测器在获取天体表面特征信息条件下其所在位置的空间分布，形成行星探测光学导航方法，可实现光学导航系统定位、定姿数学关系的解耦，降低光学导航的计算量，可在探测环形山等特征基础上直接解算出探测器绝对位置信息，定位精度(尤其是天向定位精度)高、实时性好。本发明根据测量误差在最小二乘拟合、成像余弦计算、非线性迭代等过程中的误差传播特性，提出成像余弦方差贡献函数，以此分析环形山观测误差对光学导航定位、定姿的影响。