測日天文導(dǎo)航理論及技術(shù)研究

詹銀虎

信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

測日天文導(dǎo)航理論及技術(shù)研究

詹銀虎

信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

美國國家航空航天局(NASA)勇氣號(Spirit)、機(jī)遇號(Opportunity)和好奇號(Curiosity)火星車分別于2004年1月4日、2004年1月25日和2012年8月6日登陸火星，并成功開展科學(xué)考察工作，取得了一系列重大發(fā)現(xiàn)，包括火星表面過去存在液態(tài)水的證據(jù)。機(jī)遇號火星車已在火星表面服役12年，行駛距離超過42.195 km，高精度的火星車定位技術(shù)對火星車的安全行駛和科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮了重要作用。由于火星上沒有類似于GPS的設(shè)備，且地磁場較弱，因此機(jī)遇號火星車采用Pancam相機(jī)作為太陽敏感器確定航向，并融合里程計(jì)和IMU信息實(shí)現(xiàn)航跡推算。由于航向確定精度僅為±3°，致使航跡推算誤差大于里程的5%。論文針對目前火星車定位定向精度較低的問題，展開了深入研究，主要內(nèi)容如下。

(1) 針對魚眼相機(jī)(太陽敏感器)較大的成像畸變問題，提出了基于恒星矢量觀測的魚眼相機(jī)檢校模型。與經(jīng)典的基于半視場角約束的魚眼相機(jī)檢校模型相比，新模型中的觀測量不僅包括天頂距，而且包括方位角。新模型采用3個(gè)羅德里格參數(shù)表示外方位元素，避免了復(fù)雜的三角函數(shù)計(jì)算，大大簡化了計(jì)算公式。地表實(shí)測星圖數(shù)據(jù)表明，新模型在約束方位角誤差方面具有明顯的優(yōu)勢，有效提高了魚眼相機(jī)的檢校精度。值得注意的是，論文提出的恒星法魚眼相機(jī)檢校，對于實(shí)現(xiàn)火星車太陽敏感器的在線檢校具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

(2) 目前國內(nèi)外主要采用灰度質(zhì)心法提取太陽圖像質(zhì)心，算法抗噪能力差，精度較低，且沒有考慮視場邊緣非圓形太陽圖像的質(zhì)心提取問題。論文采用Sobel+Zernike矩+圓擬合算法提取圓形太陽圖像質(zhì)心，平均精度約為0.043像素(1σ)，目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中最好結(jié)果為0.072像素，論文將精度提高了0.67倍。針對魚眼相機(jī)視場邊緣非圓形太陽圖像，提出了Sobel+Zernike矩+橢圓擬合算法和Sobel+Zernike矩+球面圓擬合算法提取質(zhì)心，精度約為0.075像素(1σ)和0.082像素(1σ)，解決了全天區(qū)太陽圖像高精度質(zhì)心提取問題。

(3) 目前采用的高度法測日定位需要長時(shí)間(一般>30 min)跟蹤觀測太陽，影響了導(dǎo)航的實(shí)時(shí)性。論文從病態(tài)問題的角度看待測日定位問題，研究如何在超短跟蹤觀測時(shí)間(1 min～2 min)內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速定位。分析了病態(tài)問題產(chǎn)生的原因及診斷方法，通過引入正則化等有偏估計(jì)的方法在一定程度上改善了病態(tài)性，重點(diǎn)研究并揭示了位置初值對有偏估計(jì)的影響規(guī)律。論文進(jìn)一步致力于改進(jìn)定位模型，從坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的角度看待天文定位問題，提出了一種無需初值及迭代且能同時(shí)實(shí)現(xiàn)定位和定向的新算法。仿真計(jì)算結(jié)果表明，與高度法定位相比，新算法可以更好地克服測日定位中的病態(tài)問題，提高定位精度，但提高程度與太陽位置及跟蹤觀測時(shí)長有關(guān)。地表實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，新算法將定位精度提高了大約12.8%。

(4) 論文構(gòu)建了以魚眼相機(jī)、電子水平儀和天文計(jì)時(shí)器為核心的測日天文導(dǎo)航原理樣機(jī)，在中原地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明，靜態(tài)條件下的航向確定誤差小于1.5′，目前收集到的國內(nèi)外文獻(xiàn)中最好結(jié)果為6.7′，論文將這一精度提高了3.5倍。靜態(tài)條件下對太陽的跟蹤觀測時(shí)間為30 min時(shí)，平均定位誤差約為3 km，目前收集到的國內(nèi)外文獻(xiàn)中最好結(jié)果為8.546 km，本文將這一精度提高了大約1.8倍；當(dāng)跟蹤觀測時(shí)長為60 min時(shí)，定位誤差約為1.0 km～3.7 km；當(dāng)跟蹤觀測時(shí)長為90 min時(shí)，定位誤差約為0.62 km～0.89 km。

本文的研究成果對于提高火星車自主導(dǎo)航精度具有重要的意義，對于我國2016年剛剛啟動(dòng)的火星探測車計(jì)劃具有重要的參考價(jià)值。

Author： ZHAN Yinhu(1986—)，male，received his doctoral degree from Information Engineering University on December 2015，majors in celestial navigation.

E-mail： oscardad@163.com

Theory and Technology Research on Celestial Navigation Based on the Sun

ZHAN Yinhu

Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China

詹銀虎.測日天文導(dǎo)航理論及技術(shù)研究[J].測繪學(xué)報(bào)，2017,46(2)：267.

10.11947/j.AGCS.2017.20160542. ZHAN Yinhu.Theory and Technology Research on Celestial Navigation Based on the Sun[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(2):267. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160542.

P228

D

1001-1595(2017)02-0267-01

國家自然科學(xué)基金(41604011)

2016-10-27

詹銀虎(1986—)，男，2015年12月畢業(yè)于信息工程大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：鄭勇教授)，研究方向?yàn)樘煳膶?dǎo)航。

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