基于火卫二视线测量的火星接近段自主导航算法

针对火星接近段导航通信时延大、存在通信盲区、自主导航可用观测信息有限等问题,提出了一种基于一组火卫二相对探测器视线矢量测量的天文自主导航算法,每个导航周期测量一组火卫二视线矢量可得到其中某一时刻探测器的完整轨道信息的估计值,该方法不依赖于轨道渐近线方向等先验信息。考虑到存在火卫二和火星在同一视场的情形,此时结合火星中心视线矢量方向以及火卫二的星历信息可估计出精度较高的探测器轨道半径,作为第一种方法的补充观测量,提高导航精度。最后给出仿真校验,验证了该方法的导航精度和可行性,表明该方案能够满足未来火星探测接近段自主导航需求。     

基于视线矢量测量的火星接近段自主导航算法

为了实现中国首次火星探测接近段的自主导航,设计一种基于视线矢量测量的自主导航算法,以测量火星视线单位矢量为唯一观测量,在轨道动力学及星-火间几何关系的基础上,详细推导出了探测器位置矢量模的表达式,并进一步推导出探测器位置及速度矢量的表达式,建立自主导航算法.通过仿真验证,分别对闭合轨道和双曲线轨道下基于三视线测量自主导航算法的表现进行比较分析.     

基于视线矢量的深空自主导航算法研究

针对深空探测器在行星际飞行的轨道确定问题, 研究了一种基于视线矢量的自主导航算法. 结合深空探测任务的特点, 以太阳视线矢量和地球视线矢量作为导航系统的观测量, 在详细分析太阳敏感器测量原理的基础上, 给出了太阳视线矢量的观测模型及其观测误差表达式. 通过分析导航相机观测原理, 给出像元像线观测模型, 并推导了地球视线矢量的观测误差. 根据惯性空间内视线矢量间的几何关系, 详细推导了探测器的位置矢量及其误差表达式, 结合非线性扩展卡尔曼滤波建立自主导航算法. 利用深度撞击任务的实际飞行数据对本文提出的深空自主导航算法进行了仿真验证.      

一种基于自动特征学习的陨石坑区域检测算法

基于陨石坑的视觉导航技术成为一种新颖的高精度空间探测自主导航方式,如何从导航图像中精确地提取陨石坑区域是实现基于陨石坑视觉导航的首要条件。针对这一问题,根据陨石坑导航图像特点,提出了一种基于自动特征学习的陨石坑区域检测算法。首先,基于最大稳定极值区域检测算法提取陨石坑候选区域;其次,利用卷积神经网络（CNN）自动学习提取候选区域的特征;最后,通过支持向量机（SVM）实现候选区域的精确分类,得到真实的陨石坑区域。大量的仿真实验表明:与传统的基于人工特征的陨石坑区域检测算法相比,提出的基于自动特征学习的陨石坑区域检测算法具有更高的检测精度和更好的鲁棒性,在通用火星表面陨石坑数据集上,所提算法的F₁度量指标较于传统算法高出8%,可以广泛地应用于基于陨石坑的视觉导航算法中的陨石坑区域提取,为基于陨石坑视觉导航算法提供精确的导航路标输入。      

深空探测航天器巡航段自主导航方法研究

对深空探测航天器自主导航方法进行了研究。为了应对深空探测中航天器轨道动力学模型的误差，在分光计测量航天器相对于太阳径向速度基础上，引入了小行星的视线矢量测量。通过最小二乘法计算出由小行星视线矢量所得到的位置信息，采用改进的信息融合方法修正扩展卡尔曼滤波中不精确的动力学模型造成的状态估计误差。同时计算了模型的能观度，对模型的可观性进行了分析。最后对算法进行了仿真分析，仿真结果表明，该算法对动力学模型的依赖性明显低于其他算法，在相同模型精度下，可获得更好的滤波精度。     

火星探测接近段的光学自主导航研究

目前光学自主导航技术已成为深空探测计划中的重点研究对象. 已有研究, 多侧重于光学自主导航技术在深空探测巡航段或是对小行星探测接近段中的应用, 而关于大行星探测接近段光学自主导航技术的研究比较少. 结合中国即将开展的火星探测计划, 研究了探测器在火星探测接近段中利用火星进行光学自主导航的整个过程, 提出了适用于接近段的动力学模型、光学观测模型及自主导航滤波算法. 通过对自主导航系统的可观测性分析, 证明了仅利用火星光学信息进行自主导航的可行性. 仿真计算结果表明, 在接近段, 整个光学自主导航的持续时间约为40h. 在自主导航的最后5h内, 滤波结果稳定, 探测器的总体位置误差在40km以内, 速度误差在0.25m·s-1以内. 计算结果的精度满足实际任务需求, 对中国火星探测计划具有直接的参考价值.      

火星探测巡航段天文自主导航方法研究

对于火星探测巡航段的自主导航问题,提出了一种基于太阳及行星观测的自主导航方法。在巡航段初期及后期,根据探测器在太阳系中的位置关系,分别选择太阳、地球及太阳、火星作为观测目标,采用星载太阳敏感器和光学相机测量导航天体实现矢量,建立观测方程。利用非线性扩展卡尔曼滤波,分别建立两种观测方案对应的导航算法。仿真结果表明巡航段导航定位精度优于100 km,定速精度1 m/s。该方法实现简单,系统资源要求不高,对未来火星探测具有一定的工程参考价值。     

火星探测器自主导航方法综述

火星是人类深空探测的重要目标之一,火星探测器的自主导航是探测任务的重要支撑技术。针对火星探测器自主导航方法的国内外研究现状进行综述与总结,讨论和分析了火星探测器自主导航可行的导航信标和测量手段,对自主导航算法需要研究的关键技术进行了梳理和探讨,提出了火星探测器在巡航段、捕获段和环绕段等不同阶段场景下的测量手段、自主导航方法的建议和设想。     

环火星自主导航系统设计及参数优化研究

当前火星探测器环绕段的导航信息主要依赖地面深空探测网提供,基于光学成像的导航方式尚不能提供较高的导航精度。因此提出一种应用相对测量的探测器实现火星环绕段的自主导航。两颗编队飞行的探测器进行相对测量,观测信息为探测器之间的相对视线矢量(LOS)。同时利用主星的星敏感器确定星体在惯性空间的姿态,将观测信息转换至惯性系下获得简化的观测方程,使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)对卫星的轨道进行确定。介绍了具体导航方案的实现方法和技术细节,使用粒子群优化方法(PSO)对模型设计的相关参数进行优化,导航精度得到明显提高。实现位置确定精度10 m,速度确定精度0.01 m/s。为设计最优的编队导航系统参数提供了有效思路。     

深空探测自主导航与控制技术综述

深空探测自主导航与控制技术是深空探测任务成功实施的关键。基于开展深空探测自主导航与控制技术研究的迫切性,综合分析和评述深空探测自主导航与控制技术的研究进展,着重分析深空探测自主导航与控制的必要性和国外深空探测自主导航与控制技术的研究发展趋势,提出深空探测自主导航与控制的关键技术,根据分析,提出了发展深空探测自主导航与控制技术的建议．     

基于视惯融合的无人飞行器导航数据仿真方法

无人飞行器在卫星信号拒止情况下难以获得较高的导航精度。为此，需要研究基于载体自身传感设备的自主导航定位方法。立足于飞行器平台的视觉惯性紧耦合算法架构VINS-Mono，提出并设计了一种视觉惯性数据仿真方法，针对匀速直线运动过程无法恢复视觉尺度的问题，进行了初始化运动轨迹补充。仿真研究结果表明，该方法所补充的轨迹能够很好地对齐视觉与惯性信息并恢复尺度，实现导航参数的正确求解。理想条件下500m平飞范围内定位误差占比不超过真值的3.5%，可作为评估卫星拒止环境下无人飞行器视觉惯性组合导航性能的参考方案。     

火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制方法研究

针对火星定点采样、载人登陆和基地构建等任务的需求,提出了一种火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制(Guidance Navigation and Control,GNC)方案。针对大气进入前的高精度导航需求,提出了基于X射线脉冲星和火星表面陆标图像的融合自主导航方法;针对火星着陆探测进入、下降和着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)过程的高精度绝对和相对导航需求,提出了基于陆标图像、IMU(Inertial Measurement Unit)和测距测速信息的多信息融合自主导航方法;针对精确定点着陆要求,设计了大气进入和动力下降过程的制导与控制算法。数学仿真结果表明,提出的方案能够实现高精度的定点着陆(精度100 m)和相对避障(精度为0.5 m),可满足任务需求。     

基于双目视觉的自动空中加油近距导航方法

为解决插头锥管式自动空中加油中的近距精确导航问题,提出了一种基于双目视觉的近距导航方法.该方法使用受油机上的两个摄像机拍摄加油锥管端面上光学标记的图像,采用轮廓跟踪法检测图像中的光斑区域,并将其灰度重心作为光学标记的像点,根据对极几何约束完成像点的匹配,利用空间圆形拟合法计算加油锥管的位置和姿态.建立了空中加油的三维虚拟场景对该导航方法进行仿真验证,仿真结果表明,该方法在近距离加油对接时具有很高的位置和姿态测量精度,可以满足自动空中加油的需要.      

基于特征值分解的小天体着陆自主导航系统可观度分析

摘要： 针对非线性导航系统中状态估计可观性与导航精度之间的关系，采用基于误差方差阵特征值分解的可观度分析方法，结合扩展卡尔曼滤波(EKF)算法对非线性预测滤波(NPF)算法进行改进，推导改进预测滤波的误差协方差矩阵，并对其进行特征值分解.分析特征值和特征向量与导航精度的关系，以小天体探测器着陆自主导航系统为例进行仿真验证，与EKF导航精度比较的基础上验证改进的NPF算法的有效性和精确性，并分析不同误差因素(模型误差，陀螺噪声，陆标误差)对可观度的影响，为航天器实际过程中自主导航系统的滤波器设计提供参考.     

基于星联网的深空自主导航方案设计

为了降低地面测控系统的负担、提高深空探测器的导航效率,提出了基于星联网的航天器自主导航概念,对星联网的应用体系进行了设计。借助脉冲星、星间链路等手段实现星联网系统中基准航天器完全自主的高精度导航,用户航天器通过与基准航天器或其他用户航天器的交互通信与测量就可以实现自身状态估计。以地月转移任务为例,设计了星联网系统在地月空间的具体应用方案,分析了地月空间基准航天器的配置与自主导航方法,阐述了用户航天器的单层与多层导航策略。对基于脉冲星与星间链路观测的基准航天器自主导航进行了仿真,验证了观测基准航天器或者其他用户航天器时,地月转移段航天器自主导航的可行性。结果表明:基准航天器可以达到20 m的定位精度,用户航天器可以达到优于30 m的定位精度。基于星联网的航天器自主导航是可行的,发展星联网可以为我国构建天基自主基准导航系统提供有力支持。     

月球车地球敏感器图像地心位置提取算法

地球是月球上可视半径最大的天体,且在天球上运动范围较小,不存在升降现象.当月球车在月球对地面区域活动时,利用地球敏感器对地球成像可实现月球车长期自主天文导航.地球图像地心位置提取是利用地球敏感器进行天文导航的关键技术之一,直接决定了地球敏感器的观测精度.本文通过研究地球敏感器镜头投影模型分析地球成像规律,提出一种不受地相变化约束的地球敏感器图像地心位置提取算法,采用取半搜索法和循环搜索法两步实现地球真实边缘线的充分筛选,并基于此拟合地心位置.半物理仿真实验校验结果表明,本算法能针对不同地相图像有效提取地球中心,外符合平均精度约为9.78"~16.68",在实验条件随机改变的情况下,地心位置外符合精度标准差互差最大不超过0.98".      

一种多步的基于切换星间测量的多星自主导航算法

针对基于星间测量的多星自主导航问题,从载荷优化和节约成本考虑,提出了一种单套敏感器切换测量的导航方案。建立了该导航方案下的系统状态空间模型,并基于扩展卡尔曼滤波方程给出了导航估计算法。基于多步卡尔曼滤波方法,将集中的滤波算法解耦为多个平行的子滤波器,使计算量降低到原算法的50%以下,并且在切换测量的导航方案下,部分解耦出的子滤波器可以只预测不更新,能够进一步地降低计算负担。给出了多步滤波算法的推导过程,证明了其与标准卡尔曼滤波的数学等价性,故算法的估计性能及计算结果与标准卡尔曼滤波一致,但计算速度有明显提升。最后,通过具体算例给出了算法的仿真验证。     

基于Gabor滤波器的航空图像居民区域提取

中低分辨率航空图像中居民区域的自动提取对地理信息系统更新和无人机导航具有重要作用.详细分析了Gabor滤波器参数对纹理提取的影响,提出了一种基于Gabor滤波器的居民区快速提取算法.算法包含4步:运用Gabor滤波器分析图像纹理,采用核密度估计生成居民区域置信图像,进而计算自适应阈值分割置信图得到候选区域,最后根据区域几何形状去除干扰得到居民区.算法平均运算时间为0.42s,实验结果表明了算法的高效性和准确性.     

一种结合深度学习的运动去模糊视觉SLAM方法

针对高动态环境下视觉同步定位与地图构建（Simultaneous Localization And Mapping,SLAM）系统的可靠性受运动模糊的限制,研究了一种基于生成对抗网络(Generative Adversarial Network,GAN)和AKAZE特征点的运动去模糊视觉SLAM方案。首先对因相机快速运动而产生的模糊图像进行AKAZE特征点的提取与检测,并根据特征点分布的丰富程度计算图像块权重,结合灰度图像的方差信息建立特征点与模糊程度之间的量化关系表;之后将达到模糊分数阈值的图像同步输入至改进GAN网络模型,该网络以端对端的形式恢复中心模糊帧的纹理信息,最后将输出的清晰图像重新进行位姿估计参与ORB-SLAM2后端优化过程。在公开数据集TUM上进行测试,对于受模糊影响较严重的数据集,方案可以明显降低相机轨迹估计的整体误差,同时维持较好的鲁棒性。