采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法

针对缺少行星表面陆标位置和探测器初始状态等先验信息情况下行星着陆导航问题,提出一种采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法。首先,利用行星表面陆标的双目视觉测量信息建立相对导航坐标系并计算陆标在相对导航坐标系下的位置,然后利用基于奇异值分解（SVD）的优化方法得到探测器在相对导航坐标系下的初始状态估计,最后利用陆标的视觉测量信息估计探测器在相对导航坐标系下的位置、速度和姿态。以火星着陆为例进行数学仿真分析,仿真结果表明本文提出的方法是有效可行的。     

基于可观测性分析的深空自主导航方法研究

基于可观测性分析,研究了不同观测模型下的深空自主导航算法。从非线性系统的可观测性分析出发,利用微分几何理论求解出系统的可观测矩阵,并给出了系统的可观测度定义和状态变量的可观测度分析方法;将其应用于深空自主导航系统,分析了不同观测模型下导航系统以及轨道参数的可观测度,并将其作为观测模型的选取准则;根据可观测性分析结果,结合非线性扩展卡尔曼滤波,建立了不同观测模型对应的自主导航算法。最后,以深度撞击任务的实际飞行数据对文中的自主导航算法进行数值仿真,验证了导航系统可观测度与系统状态估计精度之间的关系,结果表明本文提出的可观测性分析方法是可行的。     

平流层飞艇的组合导航研究

针对平流层飞艇的飞行特点,提出SINS/GPS/陆标组合导航方法,给出SINS/陆标组合导航的观测模型,并将状态与偏差分离的估计算法与联邦滤波相结合,应用于SINS/GPS/陆标组合导航系统.数学仿真结果表明:新组合导航系统相对于SINS/GPS组合导航系统可以有效改善平台误差角的估计精度,同时,提出的简化状态与偏差分离联邦滤波算法能在保持滤波精度基本不变的前提下减少计算量.     

基于地面图像的卫星自主定轨方法可观测性及定轨性能分析

卫星自主定轨是航天发展趋势之一。近年来,高分辨率遥感卫星不断发展,为利用光学遥感图像进行自主定轨提供了可能。在此背景下,提出了一种基于地面特征点图像的自主定轨方法。通过构造局部可观测矩阵分析了该定轨系统的可观测性,并用局部可观测矩阵的条件数表征可观测度,估计系统的定轨性能。通过Monte-Carlo仿真实验评估了系统的定轨表现,结果表明:该定轨方法与多点定位方法相比可以得到更高的定轨精度。     

双目视觉导航信息的可观测性分析

本文针对飞行器相对导航中双目视觉测量系统的可观测性问题进行了研究。推导了系统估计的Fisher信息矩阵,提出利用Fisher信息矩阵的秩分析来判断双目视觉导航信息观测性的方法,研究了特征点个数及分布与Fisher信息矩阵秩及相应系统可观测性的关系,得出至少2个特征点能满足双目视觉测量系统完全可观测的结论。结合测量方程的不同,分析比较了在相同特征点个数情况下单目视觉与双目视觉测量系统可观测性的优劣,最后,通过单幅图片位置和姿态确定数值仿真,验证了基于Fisher信息矩阵的双目视觉系统可观测性分析结论的正确性。     

行星车视觉导航与自主控制进展与展望

以视觉为主的行星车自主地形感知、导航、规划与控制系统是其安全高效探测的重要保障。本文通过对已成功开展和计划中的系列行星车任务导航与控制系统进行汇总，重点梳理了行星车多源地形感知、自主全局和局部导航、自主路径规划与控制等若干关键问题的进展情况，展望了未来自主化、智能化的发展趋势，并结合任务需求构建了行星车视觉导航与自主控制研究框架设想。     

面向时序InSAR的卫星任务规划框架设计

随着国内自主雷达卫星和差分干涉合成孔径雷达技术(D-InSAR)及衍生的时序InSAR技术的发展,以时间序列上重复观测为主的长周期形变监测的应用与日俱增。对遥感卫星地面任务规划系统来说,规划和管理大量有时序关联的重复任务,从而最大限度地满足观测要求,是提升以形变监测为使命的雷达卫星运控效率的关键。在综合考虑雷达差分干涉任务序列性、一致性、周期性特征的基础上,设计了一种面向雷达卫星时序InSAR类型任务的规划框架,旨在规划序列任务时,考虑序列整体特性,进行序列任务组间的冲突检测。基于此方法,对现有的地面任务规划系统进行了优化升级,验证了框架的有效性。结果证明:该方法可快速、自动进行序列任务冲突消解,可为长周期序列任务的规划和管理提供设计参考。     

行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航研究进展

基于行星定点软着陆探测任务的需求,围绕复杂形貌行星着陆过程环境特点,首先分析了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航所面临的主要技术挑战,随后综述了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航的研究现状,并概括了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航所涉及的关键技术。最后对未来行星着陆探测复杂形貌特征匹配与自主导航发展方向进行了展望。     

基于星间距离和方向观测的导航卫星自主定轨研究

研究了导航卫星自主导航问题,提出了基于星间距离和方向观测的导航卫星自主定轨方法,对该方法的可行性进行了分析。     

深空自主导航系统的可观性分析

研究了深空自主导航系统的可观性分析。建立了自主导航系统的观测模型，并提出了一种基于位置确定分析和可观性秩条件的导航系统可观性分析方法；该方法克服了直接利用多个导航目标的视线方向、视线角、夹角和图像信息等非线性观测量进行导航系统可观性分析的困难。针对观测矩阵的秩无法通过表达式直接确定的问题。给出了基于观测矩阵奇异值分解的导航系统可观性分析方法，并用来分析了几种观测模式对应的导航系统的可观性和轨道参数可观度。可以为在不同轨道段组合不同的敏感器提高轨道的估计精度提供参考。     

基于太阳观测的深空巡航段自主导航方法研究

针对基于小行星观测的自主光学导航在深空巡航段应用中存在的问题,提出了两种基 于太阳观测的自主导航方法。以太阳视线矢量为基本观测量,分别利用分光计和星载导航相 机测量探测器相对于太阳的径向速度和导航天体相对于探测器的视线矢量,进而构建了基于 太阳信息和视线信息的两种观测方案。对两种观测方案的原理和观测方程进行了详细分析和 推导,并采用扩展卡尔曼滤波算法实时估计探测器轨道。最后,以深度撞击任务的实际飞行 数据对本文提出的两种自主导航方法进行仿真验证。结果表明,两种自主导航方法的轨道估 计精度满足深空巡航段的要求。
     

深空探测器小天体交会段自主导航方法研究

针对深空探测任务中,与小行星交会段的自主导航问题,首先建立探测器在交会段的轨道动力学模型,并提出了2种导航观测方案:1)利用目标天体图像作为观测量;2)利用目标天体视线方向和目标天体夹角作为观测量.然后结合动力学模型和观测模型推导了2种导航方法的滤波算法公式.最后通过蒙特卡罗数值仿真分析方法,估算了2种导航方法的误差值,结果表明误差值在可接受精度范围内,验证了2种自主导航方法是可行的.     

深空自主光学导航观测小行星选取方法研究

深空探测转移轨道段的自主光学导航一般以小行星作为观测量来源.为了选出可观测的小行星,分析了小行星用于导航的限制因素,给出了视星等、太阳相角、视运动、三星概率、探测器与小行星距离和视线夹角等选取标准;然后,为了从多颗可观测小行星中选出最优组合,以提高导航精度,基于滤波误差协方差分析,给出了一种可量化的选取最优小行星组合的方法,该方法只与小行星到探测器距离和视线夹角有关;最后,参照"深空一号"飞行方案进行了仿真验证.分析和仿真结果表明该方法可有效提高导航精度.     

利用小行星测量信息的深空探测器自主导航算法研究

提出一种利用小行星图像信息的深空探测转移轨道段自主光学导航算法.该算法首先利用导航敏感器获取含有恒星背景的多颗小行星的图像;然后通过图像处理,提取出小行星和恒星中心点对应的像素;最后利用小行星和恒星中心点的像素、探测器的惯性姿态和观测时刻的小行星星历等信息,通过引入Unscented变换的批处理最小二乘滤波估计探测器的位置和速度.以"深空一号"探测器飞行轨道为例进行数学仿真,结果表明该算法导航精度优于"深空一号"应用的批处理最小二乘滤波.     

图像型火灾探测技术中的火灾定位研究

针对图像型火灾探测技术中的定位问题,提出一种在摄像机内外参数未知的条件下解决火灾二维定位的方法。即首先根据定标板角点的世界坐标和图像坐标计算透视投影矩阵,并在采用图像处理技术获取火灾图像的中心坐标的基础之上,通过求解线性系统获取火灾的实际位置。     

气象卫星智慧观测需求与设想

随着日益加剧的全球气候变化引发的气象灾害频发和生命财产损失影响的扩大,要求未来的气象卫星观测系统通过自主星上处理、自主任务规划、星间互联互通等智慧观测手段实现快速响应、精准预报、提前预警和连续跟踪。为此,文章以我国第二代静止轨道气象卫星风云四号(FY-4)为例,结合数值天气预报和短临天气预报等业务需求,提出了包括多载荷自主协同观测、定位恒星自主预报、自主太阳规避等智慧观测的设想和实现技术途径,通过气象卫星智慧观测可有效提升卫星应用效能,更好地发挥气象卫星数据服务能力。     

X射线脉冲星导航中钟差的可观测性问题

标准X射线脉冲星导航(XNAV)能够求解航天器的位置信息,但航天器钟差会导致XNAV的结果产生误差.鉴于脉冲星周期的稳定性,在利用XNAV进行轨道估计中,将钟差作为状态变量进行估计的授时方案已被相关学者提出.一种针对卫星轨道修正专门设计的可观测性分析工具在文中给出,利用其能够有效地判断各个状态的可观测性情况.利用该方法分析将钟差作为状态变量的导航方案,其结果表明仅需2颗脉冲星就可以对全部轨道六根数,以及卫星钟差进行观测;仿真结果验证了可观测性分析结论,双脉冲星导航时系统可以达到60m的定位精度和60ns的授时精度.对比仿真同时揭示了该方案能够有效地抑制钟差对导航精度的影响,将由于钟差引起的定位误差减小20倍以上.理论分析与仿真表明,将钟差作为状态变量的导航方案是一种能够有效地估计钟差,并抑制钟差影响、提升系统估计精度的导航方案.     

近地轨道航天器编队仅测距相对导航方法

针对地球中高轨道卫星导航信号不可用或不可信赖情况下的航天器编队自主相对导航问题,提出一种基于星载数据链仅测距的航天器相对导航新方法。首先,在地球非球形J2引力摄动条件下建立适用于椭圆轨道的线性化相对运动动力学模型,并建立基于星载数据链的飞行时间测距模型。然后,通过理论推导与数值仿真结合的方式对建立的仅测距相对导航系统进行可观测性分析,得出至少存在三种镜像模糊轨道的结论。接着,建立可用于提升系统可观测性的几何拓扑一致性约束模型,设计基于一致性无味卡尔曼滤波的分布式估计策略,并研究对应的相对导航误差传播规律。最后,通过标准蒙特卡洛打靶对所提算法进行仿真校验。仿真结果表明,相比于Tschauner Hempel(TH)动力学模型,利用建立的J2摄动相对运动动力学模型设计的仅测距相对导航系统能达到更高的相对导航精度,一致性无味卡尔曼滤波算法也能够有效提高编队导航的可观测性。     

应用灰度特征的行星陨石坑自主检测方法与着陆导航研究

针对陨石坑阴影不明显的行星着陆导航图像,提出了基于图像灰度值特征的陨石坑自主检测方法,通过兴趣区快速确定陨石坑边缘分布,解决了一般陨石坑检测方法对图像太阳高度角的依赖问题。利用检测出的陨石坑视线信息,采用非线性预测滤波方法估计着陆器着陆阶段的位置和姿态;鉴于视觉着陆导航对照了场景状况的高度依赖性,提出了一种利用分形理论和相邻点分级方法的天体随机地景建模方法。最后验证了所提方法的有效性。     

应用引力梯度测量的火星中低轨道航天器自主导航

针对目前行星附近(行星周围中低轨道高度)的自主导航手段有限,且主要依赖地面设备的支持,导航自主性和实时性比较差,精度不高,无法满足未来探测任务的需求的问题,文章提出了使用引力梯度这种天体本身的物理信息对近地行星附近的航天器进行导航的方法。并以火星附近的导航为算例,采用了全新的120阶火星引力场模型计算引力梯度;使用特征值分解法从引力梯度张量矩阵中提取位置信息,并使用非线性迭代方法解算出高阶引力场模型下的精确位置;最后得出在300km火星轨道上,100mE和10mE噪声水平下,三维导航精度分别可以达到300m和30m以内。该导航方法完全自主,并且导航精度高,实时性好,导航结果可靠,有望应用于近地行星的探测任务。