基于光学特征的小天体着陆自主导航方法研究

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1、基于光学特征的小天体着陆自主导航方法研究王骥琛2015年6月中图分类号：V448.224UDC分类号：629.7基于光学特征的小天体着陆自主导航方法研究作者姓名王骥琛学院名称宇航学院指导教师高艾讲师答辩委员会主席崔平远教授申请学位工程硕士学科专业航天工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ResearchontheAutonomousNavigationMethodforSmallCelestialLandingBasedonOpticalFeaturesCandidateName：JichenWangSchool

2、orDepartment:AerospaceEngineeringFacultyMentor:LecturerAiGaoChair,ThesisCommittee：Prof.PingyuanCuiDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：AaerospaceEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究

3、成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要自主导航是小天体着陆任务的关键技术之一，利用小天体表面光学特征进行着陆器自主导航是目前研究的热点问题。本论文以小天体着陆任务为背景，针对导航方案设计、自主位姿估计等问题，开展了基于光学特征的小天体着陆自主导航方法的研究。论文的主要

4、内容如下：首先，在着陆参考坐标系下建立了小天体着陆器系统模型，构建了基于光学测量的导航观测模型，在此基础上分别针对视线测量和矢量测量两种观测方式，分析了不同特征点分布条件下的着陆器导航系统可观测性，并以此为依据设计了基于视线测量和基于矢量测量的小天体着陆自主导航方案。其次，针对小天体着陆导航系统的非线性问题，对自主光学导航滤波算法进行了研究。在对批处理最优估计方法与无迹卡尔曼滤波方法原理性分析的基础上，实现了两种估计滤波方法在小天体着陆自主光学导航系统中的应用，并对比分析了不同算法的性能优劣。然后，针对基于视线测量的光学导航方案

5、，研究了基于改进修正的自主位姿估计方法。通过对传统滤波估计性能的分析，将最优估计算法与无迹卡尔曼滤波算法相结合，给出了一种改进的小天体着陆自主位姿估计方法，提高了着陆状态的导航估计精度。最后，针对基于矢量测量的光学导航方案，研究了模型参数摄动下的自主位姿估计方法。通过分析模型参数不确定对导航精度的影响，将模型参数扩展进入导航估计状态，给出了小天体着陆状态参数信息联合估计方法，提高了模型不确定条件下着陆状态估计的鲁棒性。关键词：小天体着陆；自主导航；光学测量；滤波估计I北京理工大学硕士学位论文AbstractAutonomousn

6、avigationisoneofthecriticaltechnologiesofsmallcelestiallanding.Theautonomousnavigationofthelandingdevicebasedonthesurfaceopticalfeaturesofsmallobjectsisahotissueatpresent.Inthisthesis,thenavigationschemedesignandautonomousposeestimationarestudiedbasedonthesmallobject

7、landing.Theautonomousnavigationmethodforsmallcelestiallandingbasedonopticalfeaturesisstudied.Themaincontentsofthepaperareasfollows:First,coordinatesystemanddynamicmodelsoflandingdetectorwhichwillbeusedinthefollowingnavigationmethodsdesign,andtwodifferentopticalobserv

8、ationmodelsareestablished.Basedonobservabilityanalysisofdifferentmeasurementmodelsatdifferentnumberfeaturepoints,twodifferentnaviga