一种月球车惯性/视觉组合导航方法研究

基于月球车主要依靠惯性导航和视觉导航的现状,设计了一种惯性/视觉组合导航方法。该方法根据惯性导航原理建立月面环境下的位置、速度和姿态误差方程,并利用惯导前后时刻的观测值计算相对运动参数,基于该参数与视觉导航相对运动观测值之差建立量测模型。该差值只与当前时刻惯导误差相关,避免了对状态的增广。针对量测噪声未知的问题,采用自适应卡尔曼滤波对量测噪声进行在线估计。仿真结果表明,该组合导航方法能提高定位精度以及横滚角、俯仰角精度,减小误差漂移,是一种有效的月球车自主导航方法。     

我国月面巡视探测器定位方法研究

月球自动巡视勘查技术中的月面巡视探测器的导航控制,需要研究月面巡视探测器的定位技术。文章通过对国外漫游车定位方法的研究,提出了我国月面巡视探测器在全局坐标系和局部坐标系中进行定位的方法。月面巡视探测器在全局坐标系中的定位可以采用星敏感器以及陆标辨识的方式;局部坐标系的定位可以采用惯性导航系统 里程计以及着陆器帮助下定位和视觉里程计的定位方法。这几种定位方式的组合应用,能够满足月面巡视探测器导航方面的定位要求。     

无人集群组网系统相对定位技术研究

针对大规模无人集群在卫星导航拒止环境下的相对定位需求，研究一种基于无人集群自组网数据链测距的相对定位技术，通过集群组网测距信息构建广义距离平方阵，经过双中心处理化和特征值分解后即得到相对定位结果，最后通过仿真评估了该方法在不同测距误差和不同集群规模下的定位精度。结果表明：测距误差是影响定位性能的最主要误差来源，当节点数大于30时定位误差受节点个数影响较小。     

中国“玉兔”俏月宫——月球车漫画

月球车也称月面巡视探测器,是一种能够在月球表面自动移动,完成探测、采样、运载等任务的高度集成的航天器,也可以描述为能适应月球环境,携带科学仪器在月面进行巡视探测的月球探测器,是在月球上完成零距离科学探测任务的重要平台。     

基于联邦卡尔曼滤波的月球车自主导航方法

月球车自主导航系统是其完成月球探测任务的基础和关键,因此针对月球车导航的特殊要求设计了一种基于天文导航与航位推算相结合的月球车自主导航方法.首先根据月球车运动模型建立了系统的状态方程,然后利用太阳敏感器测量的太阳高度和方位角为观测信息建立了天文子导航系统,以航位推算系统输出的航向角速率和月球车行进距离为观测信息建立了DR子导航系统,并采用了联邦卡尔曼滤波实现导航信息的最优估计和信息综合以增加导航系统的可靠性和容错能力.最后,通过计算机仿真证明该方法具有很好的位置和航向估计精度,同时该方法有效提高了月球车导航系统的可靠性和容错能力,是解决月球车自主导航问题的一种有效而实用的方法.     

深空探测器单基线干涉测量相对定位方法

针对中国深空探测中航天器高精度定位需求,提出一种基于相位参考成图技术的探测器单基线相对定位方法。该方法利用中国深空站长弧段跟踪优势,形成良好的UV覆盖,满足在中国仅有两个深空站的条件下获得高精度测量结果的要求,解决单基线高精度干涉测量的难题。利用中国深空测控网喀什至佳木斯基线开展了嫦娥三号月球探测器天线间的相对定位试验,确定了嫦娥三号着陆器全向天线相对定向天线的位置,天平面角分辨率优于0.5 mas(毫角秒),充分验证了该方法的有效性。该研究对以后嫦娥五号任务及火星探测中无线电干涉测量相对定位具有一定参考价值。     

基于天文与速度联合观测的月球车自主导航方法

月球车自主导航系统是其完成月球探测任务的基础和关键,因此针对月球导航的特殊要求设计了一种基于速度和天文联合观测的月球车自主导航方法.首先根据月球表面导航的特殊要求,依据惯性导航的基本原理建立了月球环境下惯性导航系统的姿态、速度和位置误差方程,然后针对月球车载的捷联惯导系统的特点建立了基于速度和天文联合观测的量测方程,由于建立的系统状态方程和量测方程均为线性方程,所以采用了Kalman滤波实现月球车位姿信息的最优估计.仿真结果表明该方法具有很好的位置和姿态估计精度,同时有效抑制了量测噪声对系统性能的影响,是解决月球车自主导航问题的一种有效而实用的方法.     

一种基于单应的月球车车轮沉陷视觉测量方法

在月面环境下车轮沉陷严重地影响月球车的移动性能和定位精度,针对现有基于视觉的车轮沉陷检测方法存在系统误差等缺陷,提出了一种基于单应的月球车车轮沉陷视觉测量方法。首先通过分析指出现有的基于视觉的车轮沉陷检测方法存在系统误差。然后引入三维空间中车轮侧面所在平面与摄像机图像平面之间的单应,把由图像处理技术得到的车轮沉陷信息从图像平面变换到车轮侧面所在的平面,在三维空间中计算车轮沉陷,从而消除了现有方法中的系统误差。通过限定感兴趣区域以及引入一维空间滤波器,在图像中检测车轮沉陷信息更加快速、鲁棒。仿真数据实验以及月球车原理样机在模拟月面地形下的真实图像数据实验都表明新方法是有效可行的。     

深空自主着陆导航技术研究与展望

随着深空探测活动范围的快速扩大,探测器需要在天体实施着陆与返回,因此对导航技术的自主性和精度要求越来越高。提出一种基于视觉/惯性的组合导航系统,该系统的计算机视觉模块采用SURF算法,不仅可以实时地确定探测器的位置,而且能够确定探测器的姿态;惯性导航模块实时获取探测器的位置、速度和姿态信息;组合导航系统采用Kalman滤波技术,将计算机视觉模块和惯性导航模块获取的位置、姿态信息进行组合。该组合导航系统将惯导系统与视觉系统信息融合,通过引入计算机视觉系统所获得的位置和姿态信息,可以有效减小惯导系统误差。仿真结果证明,这种组合导航系统能够有效提高系统导航精度。文中还展望了深空探测器天体着陆导航技术未来的发展趋势。     

利用着陆器立体视觉对月面巡视探测器定位

在月面巡视探测器漫游过程中,需要测量月面巡视探测器的位置和姿态信息,以使巡视探测器行驶在规划好的路径上,并确保其安全。定位系统可以采取多种方式。在文章中,利用着陆器立体视觉系统对月面巡视探测器定位方法进行了研究,它采用立体视觉测量技术以及彩色图像分割的方法,进行跟踪测量月面巡视探测器位姿信息,能够对惯导系统加里程计的定位方法进行修正,减小月面巡视探测器的计算工作量。在定位方法的研究中,采用彩色图像分割方法对月面巡视探测器进行识别,能够适应变光照条件,并且运算速度快,达到实时图像伺服控制的目的。通过月面巡视探测器上制作特征点及采用基于四边形约束的特征点匹配方法,提高了图像匹配概率。通过卡尔曼滤波技术,能够满足任意时刻的月面巡视探测器定位要求。     

地月空间星地双向单程测量高精度模型

针对使用星地双向单程测量技术实现给定场景下的地月空间高精度测量问题,建立了地月空间纳秒级星地时差解算模型与米级瞬时距离解算模型,定量分析了模型中各因素的量级,并对模型中收发时延、引力时延、定轨误差和大气延迟等多种因素引入的时差和距离估算误差进行了定量分析。仿真数据的处理结果校验了误差量级理论分析的准确性,时差估算的均方根误差优于7.6ns,瞬时距离估算均方根误差优于2.4 m。建立的模型可以对地月空间星地DOWR测量数据进行高精度处理,实现地月空间高精度时间比对,支持未来中国载人登月等任务及地月空间高精度导航技术。     

月球探测器定轨误差分量协方差分析

基于测量量的数学模型,推导环月探测器状态矢量的信息阵,建立定轨误差RTN分量的误差方程和协方差矩阵,给出了测距、测速、时延和时延率的测量误差对定轨误差RTN分量影响的数值关系。根据中国探月工程实际轨道测量数据精度和测站／基线分布情况,计算分析了2种环月轨道位置速度误差RTN分量的影响因素和误差水平。利用嫦娥-1、2月球探测器实际定轨结果,验证了分析方法的有效性。该方法对中国探月工程二期任务动力下降初始定轨误差RTN分量计算具有参考意义。     

基于激光测距的月球探测重载六足机器人自主避障控制

月面未知环境下具有高承载力的六足移动机器人是月球探测中不可或缺的装备。六足机器人虽然可以借助足地接触信息和姿态信息在不平坦路面行走，在遇到较小障碍物时可以做出适当的反射动作，但当遇到无法逾越的障碍物时，基于视觉信息实现腿式机器人避障运动是非常重要的。针对电驱动六边形对称分布的六足机器人，基于激光测距仪的信息实现了模拟月壤地面的地形建模，提出基于虚拟机体模型的自主避障策略，获得最优可行方向和运动最短距离，规划了实时避障的机体和足端运动轨迹。实验结果表明,六足机器人可以实时、准确地跟踪避障策略得到实时偏航角度，实现了机器人在未知环境下的自主避障运动，为月球探测重载足式机器人研究奠定了基础。     

Integrating advanced mobility into lunar surface exploration

With growing knowledge of the lunar surface environment from recent robotic missions, further assessment of human lunar infrastructures and operational aspects for surface exploration become possible. This is of particular interest for the integration of advanced mobility assets, where path planning, balanced energy provision and consumption as well as communication coverage grow in importance with the excursion distance. The existing modeling and simulation tools for the lunar surface environment have therefore been revisited and extended to incorporate aspects of mobile exploration. An extended analysis of the lunar topographic models from past and ongoing lunar orbital missions has resulted in the creation of a tool to calculate and visualize slope angles in selected lunar regions. This allows for the identification of traversable terrain with respect to the mobile system capabilities. In a next step, it is combined with the analysis of the solar illumination conditions throughout this terrain to inform system energy budgets in terms of electrical power availability and thermal control requirements. The combination of the traversability analysis together with a time distributed energy budget assessment then allows for a path planning and optimization for long range lunar surface mobility assets, including manned excursions as well as un-crewed relocation activities. The above mentioned tools are used for a conceptual analysis of the international lunar reference architecture, developed in the frame of the International Architecture Working Group (IAWG) of the International Space Exploration Coordination Group (ISECG). Its systems capabilities are evaluated together with the planned surface exploration range and paths in order to analyze feasibility of the architecture and to identify potential areas of optimization with respect to time-based and location-based integration of activities.     

Meditations on the new space vision: the Moon as a stepping stone to Mars

The Vision for Space Exploration invokes activities on the Moon in preparation for exploration of Mars and also directs International Space Station (ISS) research toward the same goal. Lunar missions will emphasize development of capability and concomitant reduction of risk for future exploration of Mars. Earlier papers identified three critical issues related to the so-called NASA Mars Design Reference Mission (MDRM) to be addressed in the lunar context: (a) safety, health, and performance of the human crew; (b) various modalities of mission operations ranging surface activities to logistics, planning, and navigation; and (c) reliability and maintainability of systems in the planetary environment. In simple terms, lunar expeditions build a résumé that demonstrates the ability to design, construct, and operate an enterprise such as the MDRM with an expectation of mission success. We can evolve from Apollo-like missions to ones that resemble the complexity and duration of the MDRM. Investment in lunar resource utilization technologies falls naturally into the Vision. NASA must construct an exit strategy from the Moon in the third decade. With a mandate for continuing exploration, it cannot assume responsibility for long-term operation of lunar assets. Therefore, NASA must enter into a partnership with some other entity--governmental, international, or commercial--that can responsibly carry on lunar development past the exploration phase.     

载人月面着陆与上升飞行器辐射环境适应性研究

载人月面着陆与上升飞行器是在载人月球探测任务中用于月球轨道与月面之间人员、货物往返的运输工具。针对载人月面着陆与上升飞行器全寿命周期内的辐射环境进行了分析,对近地轨道、地月转移及环月轨道的辐射环境中的高能带电粒子能谱进行了对比,对其辐射环境适应性进行了评估,提出了针对性的辐射防护建议,供月面着陆与上升飞行器设计参考。     

面向载人月球探测的月面环境模拟试验关键技术分析

文章针对未来有人参与的月球探测任务,首先开展了月球表面环境地面模拟试验验证需求分析,归纳总结了国内外技术发展现状。然后,提出并分析了载人月球探测地面模拟试验需重点研究的关键技术:真空热环境下月面移动式多体低重力模拟技术;复杂月面环境高精度热流模拟技术;大容量布尘条件下超高真空获得与保持技术;月面辐射与月尘环境模拟技术;月尘防护效能量化评估技术;月面综合环境试验验证技术等。最后,给出了面向载人月球探测的月面环境模拟试验技术研究总体方案,并对月面环境模拟试验技术的发展目标进行了展望。     

基于我国VLBI网航天器定位归算仿真分析

结合我国VLBI观测网现状,通过仿真计算分析了观测时延噪声与系统差、预报轨道偏差和测距误差等对航天器定位归算的影响。结果表明,仅利用VLBI跟踪时附加飞行器地心距约束有利于压制定位点的弥散。 3站 VLBI跟踪的定位解是有偏估计,4站跟踪时要求所加约束的误差应与预报轨道偏差相当,若过大将起不到压制定位点弥散的良好效果,若过小则会在定位结果中引入系统偏差。时延与测距的观测噪声主要引起定位点序列的弥散。若观测量存在系统差则将引起定位结果的系统性偏差,而且定位点序列会发生渐近线性趋势跳变。同时,这也可以作为观测量是否存在系统差的判据。另外,若某时刻前后VLBI跟踪站存在3、4站变更,定位点序列有时发生趋势变化。分析结论对于我国后续探月和萤火计划等工程实践具有借鉴意义。     

弱全局信息下月面超远距离保通行性移动规划

针对月面超远距离移动规划任务因缺乏精确全局信息而导致的规划路径可通行性不足问题，提出了月面道路拓扑网的构建设想及相应路径规划技术，凭借复杂道路网络的连通能力确保巡视器超远距离规划路径的可通行性。首先进行月面道路拓扑网的设计方法研究，分别提出了基于滑动最优泊松采样算法的网络节点设计方法和基于均匀领邻网络拓扑模型网络结构设计方法，使月面道路网网络节点分布均匀、密度适中且覆盖完整，网络连接合理且各路径尽量远离障碍区域。然后进行基于月面道路拓扑网的超远距离移动规划研究，分析了基于月面道路拓扑网路径规划技术的概率完备性和整体可通行概率，并提出了基于月面道路拓扑网的K优路径规划方法，通过道路网的连通性来提高超远距离移动探测任务的整体可通行概率。最后以阿波罗两次登月任务的着陆点之间进行超远距离转移任务为仿真场景，验证了本方法的有效性。