深空探测任务中小行星导航与建模关键技术研究

摘要

深空探测是人类探索外太空，认知宇宙，近距离观测天体的重要途径。深空探测器从发射到逐渐接近目标，实现对目标天体的交会飞掠、撞击或着陆探测，需要完成远距离、长时间的航天飞行。由于各个飞行阶段的空间环境、观测条件、运行轨迹不同，环境未知因素多且复杂，航天器的自主生存能力，即地面不参与导航的情况下自主完成轨道确定和控制、姿态定位及目标跟踪等任务的能力，逐渐成为深空探测航天飞行任务中探测器不可或缺的条件。
　　在深空探测巡航段，光学自主导航一般都以小行星作为导航信标星，而导航信标星的筛选将直接影响导航的精度。在接近交会段，将目标天体作为导航观测量，目标天体的质心提取精度会影响接近段任务的执行精度。深空探测的目标是行星，小行星，或者彗星等，探测的形式包括飞掠成像，撞击，采样等，利用这些观测数据可以完成对深空天体的深入研究。针对以上问题，本文从深空探测光学自主导航涉及到的关键技术着手，主要进行以下三方面的工作：
　　（1）自主光学导航巡航段导航信标星选取方法研究。为了提高导航精度，需要优化选取导航信标星。基于小行星筛选的一般准则，以火星为目标，结合火星探测轨道的设计，给出了绝对星等、小行星与太阳距离、太阳相角、探测器与小行星距离和视线夹角等可量化的选取最优小行星组合的准则。用这些准则对小行星进行在轨二次筛选，得到最优导航信标星组合。最后进行了数学仿真，仿真结果表明，在轨二次筛选方法选出的导航信标星，导航精度更高。
　　（2）小行星探测接近段光学自主导航观测量的提取方法研究。用光线追踪系统生成目标天体图像，对图像加入一定强度的高斯白噪声，模拟深空探测接近段星图的生成过程。对图像去噪、阈值分割后，采用带阈值的质心提取算法和带阈值平方加权质心算法提取目标质心，与真实的质心位置进行比较，得出阈值平方加权质心算法具有更高的精度。
　　（3）在探测器对目标天体飞掠段利用光学图像对目标天体表面特性分析方法研究。基于嫦娥二号接近飞掠小行星4179过程中拍摄到的高分辨率可见光图像，细化了雷达观测数据在光线追踪系统中的旋转角度，改变了小行星可见光图像反演光照方向的取值区域，重新优化了融合实验，明确了求取最佳融合模型的评价标准，最终以图像特征，深度值之差和点集偏差的评价标准计算得到最佳融合模型时的参数，取得了良好的模型融合效果。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 课题相关领域研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容及组织结构

第2章 巡航段信标星筛选技术

2.1引言

2.2导航信标星的选取与规划

2.3实验结果及分析

2.4本章小结

第3章 小行星探测接近段自主导航观测量提取仿真

3.1引言

3.2接近段星图模拟

3.3目标天体质心提取

3.4本章小结

第4章 飞掠段光学图像观测与数据融合处理

4.1引言

4.2深度信息融合

4.3实验结果及分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢