火星探测下降着陆段光学导航方法研究

发布时间：2017-10-12 18:30

  本文关键词：火星探测下降着陆段光学导航方法研究

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【摘要】：在人类的深空探测任务中,火星探测由于具有较大的科学意义,是目前研究的重要内容之一。为了取得更有价值的科学数据,在具有丰富地貌的复杂区域进行精确着陆并采样返回地球研究是火星探测任务的发展趋势。根据目前已经实施的着陆任务来看,其着陆精度均未达到精确着陆的精度要求。而导航系统作为着陆器控制系统的“眼睛”,其精度对着陆器最终的着陆精度具有关键性的作用。因此,有必要研究改进导航系统以提高着陆精度。本文以火星探测任务的动力下降段和最终着陆段为背景,根据两段任务的特点设计导航方案,并对导航精度的相关影响因素通过数学仿真加以分析验证。同时,针对动力下降段特征点选择问题进行了研究。论文的主要研究内容为:首先研究了基于已知位置特征的动力下降段自主导航方法。在假设特征位置已经获得的基础上,研究融合惯性与视觉导航信息的方法用以估计着陆器状态。给出了动力下降段常用的坐标系的定义并建立了动力下降段着陆器在火星固联坐标系下的动力学模型和测量模型;考虑到系统的非线性特点,根据扩展的卡尔曼滤波算法设计了滤波器融合惯性测量单元的测量信息及特征点位置信息估计出着陆器的状态信息;通过数学仿真分析了各种因素对导航精度的影响。其次研究了基于信息熵的动力下降段特征选择方法。介绍了熵的概念;根据信息论的发展介绍了信息熵的定义以及其与随机变量不确定性的关系;将信息熵理论结合之前所建立的动力下降段导航滤波估计器建立基于信息熵的动力下降段特征点选择方法;通过数学仿真分析验证算法的有效性。最后研究了多信息融合的最终着陆段自主导航方法。建立了最终着陆段的动力学模型;根据导航任务的特点提出了一种融合激光测距仪、导航相机和惯性元件观测信息的自主导航方案;利用EKF滤波算法设计了导航滤波器;通过数学仿真分析了各种因素对导航精度的影响。
【关键词】：火星探测 光学导航 已知位置特征 信息融合 特征点选择
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 美国火星探测着陆任务概述10-11
• 1.2.2 我国深空探测技术研究现状11-12
• 1.2.3 深空探测下降着陆段导航方法研究现状12-14
• 1.2.4 光学导航存在的困难14-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-16
• 第2章 基于已知位置特征的动力下降段自主导航方法16-34
• 2.1 引言16
• 2.2 动力学模型的建立16-20
• 2.2.1 常用坐标系的定义16-18
• 2.2.2 导航测量模型18-19
• 2.2.3 探测器动力学模型的建立19-20
• 2.3 导航滤波器的设计20-25
• 2.3.1 EKF滤波原理21-22
• 2.3.2 系统的状态方程22-24
• 2.3.3 导航测量方程24
• 2.3.4 时间更新方程24-25
• 2.4 数学仿真分析25-33
• 2.4.1 仿真方案25-26
• 2.4.2 仿真参数的设置26-27
• 2.4.3 仿真结果27-29
• 2.4.4 导航精度分析29-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 基于信息熵的动力下降段特征选择方法34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 信息熵的概念34-37
• 3.2.1 熵的概念34-35
• 3.2.2 信息熵的概念35-37
• 3.3 基于信息熵的动力下降段特征点选择37-40
• 3.4 数学仿真分析40-43
• 3.4.1 仿真方案40-41
• 3.4.2 仿真参数的设置41
• 3.4.3 仿真结果41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 多信息融合的最终着陆段自主导航方法44-57
• 4.1 引言44
• 4.2 动力学模型的建立44-45
• 4.3 导航方案的设计45-46
• 4.4 导航滤波器的设计46-50
• 4.4.1 导航观测矢量的构建46-47
• 4.4.2 着陆平面法向量的确定47
• 4.4.3 相对位置的确定47-48
• 4.4.4 导航滤波器的设计48-50
• 4.5 数学仿真分析50-56
• 4.5.1 仿真方案50-51
• 4.5.2 标称轨迹的选择51
• 4.5.3 仿真参数的设置51-52
• 4.5.4 仿真结果52-53
• 4.5.5 导航精度分析53-56
• 4.6 本章小结56-57
• 结论57-59
• 参考文献59-62
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果62-64
• 致谢64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张洪华;关轶峰;黄翔宇;李骥;赵宇;于萍;张晓文;杨巍;梁俊;王大轶;;嫦娥三号着陆器动力下降的制导导航与控制[J];中国科学:技术科学;2014年04期

2 崔平远;胡海静;朱圣英;;火星精确着陆制导问题分析与展望[J];宇航学报;2014年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 聂良伟;深空探测中精确自主着陆导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

2 陆瑞琨;深空探测器自主光学导航技术研究[D];南京航空航天大学;2013年

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本文编号：1020304