基于陨石坑匹配的月球精确着陆导航方法研究

摘要

陨石坑是月表最为显著的地形特征，将其作为导航陆标有助于提高月球软着陆导航的精度。本文对基于陨石坑匹配的月球精确着陆导航方法进行了重点研究。主要内容包括陨石坑检测、陨石坑匹配及基于陨石坑匹配的导航。
　　针对导航应用，研究了基于图像边缘信息的陨石坑检测算法，包括边缘检测、边缘筛选、边缘分组及椭圆拟合。针对算法对成像条件适应性差的问题，引入多尺度自适应高斯滤波降噪算法、以及基于图像梯度幅值直方图的自适应Canny边缘检测算法，对已有陨石坑检测算法进行了改进，得到自适应陨石坑检测算法。真实月表图像的仿真实验表明，改进后的检测算法对不同光照及地形条件下的陨石坑图像具备了自适应功能，克服了以往算法对成像条件容许能力差的问题。
　　对陨石坑的匹配，利用二次曲线对仿射不变量，研究了基于投票策略的陨石坑匹配算法。针对可能出现的误匹配及失配情况，提出了基于闭合曲线面积仿射特性的匹配校正算法。利用多幅真实月表图像进行的实验结果表明，陨石坑匹配及校正算法的匹配率达85％以上，误匹配率小于5%。
　　基于陨石坑匹配的导航方面。首先研究了基于光学测量的相对导航方法，该方法通过光学相机对四个或四个以上位置已知陆标的视线方向矢量进行测量，从而确定探测器的位置及姿态信息。接着，针对实际应用中光学导航和惯性导航各自的不足，结合陨石坑的检测和匹配，研究了基于陨石坑匹配/IMU组合的导航算法。算法通过扩展卡尔曼滤波对光学及惯性测量量进行整合，提高了导航输出的更新速率；同时，借助光学观测实现了对速率陀螺漂移偏差的修正，从而得到精确的角速率测量值，便于对探测器进行实时控制。仿真结果表明，基于陨石坑匹配/IMU组合的导航方法精度较高，位置估计误差在米级范围内，能够满足月球精确着陆的精度要求。

目录

基于陨石坑匹配的月球精确着陆导航方法研究

RESEARCH ON CRATER MATCHING BASED NAVIGATION METHOD FOR LUNAR PRECISE LANDING

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 月球软着陆自主导航方法发展现状

1.2.2 图像特征检测与匹配技术发展现状

1.2.3 国内外研究现状分析

1.3 本文研究的主要内容

第2章 陨石坑检测方法研究

2.1 引言

2.2 陨石坑图像检测方法初探

2.2.1图像基础及光学相机成像模型

2.2.2陨石坑模型

2.2.3几种陨石坑图像检测方法

2.3 基于边缘信息的陨石坑检测算法

2.3.1基于Canny算子的陨石坑检测

2.3.2自适应陨石坑检测

2.3.3仿真算例及分析

2.4 本章小结

第3章 陨石坑匹配方法研究

3.1 引言

3.2 陨石坑图像匹配理论基础

3.2.1仿射变换

3.2.2几种陨石坑图像匹配方法

3.3 基于二次曲线仿射不变量的陨石坑匹配算法

3.3.1平面二次曲线对仿射不变量描述

3.3.2基于二次曲线对仿射不变量陨石坑匹配算法

3.3.3基于闭合曲线面积仿射特性的陨石坑匹配校正

3.3.4仿真算例及分析

3.4 本章小结

第4章 基于视线测量的月球软着陆导航方法

4.1 引言

4.2 月球着陆器动力学模型的建立

4.2.1轨道动力学

4.2.2姿态动力学及运动学

4.3 导航测量模型的建立

4.3.1测量坐标系

4.3.2导航测量方程

4.4 基于视线测量的相对导航算法

4.4.1状态方程及观测方程的建立

4.4.2导航滤波器设计

4.4.3仿真算例

4.5 本章小结

第5章 基于陨石坑匹配/IMU组合的月球软着陆导航方法

5.1 引言

5.2 月球全局地图及陨石坑数据库的建立

5.3 基于陨石坑匹配/惯性组合的导航算法

5.3.1 光学/惯性组合导航测量模型

5.3.2 导航动力学模型

5.3.3 导航滤波器设计

5.3.4 仿真算例

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢