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深空探测中精确自主着陆导航方法研究

作　者: 聂良伟
导　师: 崔祜涛
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 深空探测 自主导航 光学惯性导航 软着陆 图像匹配
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文研究了飞行器下降着陆时的光学惯性组合导航方法,该方法是目前国内外研究的热点,它可以提高飞行器的导航精度,满足其在探测天体表面精确着陆的要求。本文研究的自主导航方法涉及图像处理和导航滤波两个方面:第一,图像处理方面。首先为了检测飞行器下降图像和地图图像中的角点特征,研究了图像的Harris角点检测方法,由于该算法计算速度快、抗噪性强、对光照强弱不敏感等优点,所以它在飞行器着陆任务中具有相当的优势;其次研究了两幅图像之间的变换方法,本文假设飞行器下降时的图像与地图图像之间的变换是一种平面到平面的变换,这种假设可以简化变换算法;最后研究了图像的匹配方法,应用相位相关法和对数极坐标转换方法计算出图像之间的平移、旋转、缩放关系后,再结合时域内的匹配算法确定下降图像中特征点在地图图像中的位置,特征点的定位精度能达到1~2个像素。第二,导航滤波方面。应用图像处理算法后,就可以确定飞行器着陆时拍摄图像中的特征点在着陆天体上的位置,得到这些位置之后,结合惯性元件的测量信息,应用扩展卡尔曼滤波方法,可以得到比惯性导航精度更高的导航信息,从而提高导航精度。最后,为了进一步分析组合导航方法的精度,数学仿真了该方法的精度对图像处理频率、特征点数目、地图分辨率和误匹配的敏感性,得出了一些相关的结论。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-16
  1.1 研究的目的和意义  8-11
    1.1.1 研究背景  8-11
    1.1.2 研究的目的和意义  11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 国外研究现状  12-13
    1.2.2 国内研究现状  13-14
  1.3 本文研究的主要内容  14-16
第2 章角点检测  16-24
  2.1 引言  16
  2.2 角点检测的方法  16-17
  2.3 Harris 角点检测方法及其特点  17-23
    2.3.1 Moravec 角点检测算法  17-19
    2.3.2 Harris 角点检测算法  19-21
    2.3.3 Harris 角点检测算法的优缺点  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章 下降图像的变换  24-34
  3.1 引言  24-25
  3.2 光学相机模型  25-26
  3.3 两幅图像之间的变换  26-29
  3.4 应用飞行器参数计算映射对  29-33
  3.5 本章小结  33-34
第4 章图像匹配  34-54
  4.1 引言  34-35
  4.2 平移图像的匹配  35-39
    4.2.1 直接匹配方法  35-36
    4.2.2 相位相关法  36-39
  4.3 旋转和缩放图像的匹配  39-48
    4.3.1 旋转图像的匹配  40-41
    4.3.2 缩放图像的匹配  41-42
    4.3.3 旋转和缩放图像的匹配  42-48
  4.4 地图与模板匹配实验  48-50
  4.5 确定特征点在地图中的位置  50-53
  4.6 本章小结  53-54
第5章 光学相机与惯性元件组合导航  54-82
  5.1 引言  54
  5.2 卡尔曼滤波  54-61
    5.2.1 卡尔曼滤波原理简介  54-56
    5.2.2 线性化和扩展卡尔曼滤波  56-58
    5.2.3 误差状态的卡尔曼滤波  58-61
  5.3 导航动力学模型  61-65
    5.3.1 坐标系的定义及转换  61-63
    5.3.2 导航动力学模型  63-65
  5.4 组合导航的卡尔曼滤波过程  65-72
    5.4.1 状态向量的设置  65-67
    5.4.2 时间更新  67-68
    5.4.3 观测更新  68-71
    5.4.4 组合导航数学仿真  71-72
  5.5 组合导航精度分析  72-80
    5.5.1 误差评价标准及设计试验轨道  73-76
    5.5.2 特征点个数对导航精度的影响  76-77
    5.5.3 图像处理频率对导航精度的影响  77-78
    5.5.4 地图精度对导航精度的影响  78-79
    5.5.5 误匹配对导航精度的影响  79-80
  5.6 本章小结  80-82
结论  82-84
参考文献  84-88
致谢  88

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制
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