深空探测器高精度自主导航技术

With the urgent need of autonomous navigation for deep space explorer and Mars Exploration mission as well as the II and III phase of China's lunar exploration, autonomous navigation and experiment verification will be studied.The deep space exploration mission includes the period of cruise, encounter, and wandering.This project will study the autonomous navigation technology according to the varying featues of three different period respectively. First, accrurate measurement extracted from long exposure time picture will be studied, and a method based on augumentation state filter and parameter identification will be proposed to tackle the problem of observing difficulty when the explorer targets at distant and vague objects during cruse period and inaccurate parameters of system model under coupling of high-speed movement gravity field.Second, based on the analysis of the observabilty of the autonoumous navigation system, a muti-scale self-adaption navigation method would be studied in this project, owning to the fast change of the models during encounter period and limited observing time. Thirdly, the INS/VNS/CNS navigation method for deep space rover would be investigated, including calibration methods,error analysis, information fusion method, with the aim of achieving long-time and distant high precesion autonomous navigation of the explorer during encounter period under complex planet surface.Finally,the integrated simulation and test system for deep-spcace autonomous navigation will be developped to validate the methods.

针对我国月球探测二、三期和即将开展的火星探测任务对深空探测器自主导航的迫切需求，研究相应的自主导航及实验验证方法。深空探测任务主要包括转移段、捕获段和巡视段三个阶段。本项目将针对这三个阶段的不同特点及其对自主导航的不同需求，研究其相应的自主导航技术。首先针对转移段探测器对遥远暗淡目标观测困难、高速运动引力场强耦合条件下系统模型参数难以精确确定的问题，研究长时曝光图像的处理方法和基于扩维滤波的系统模型参数智能在线识别技术。其次针对捕获段探测器模型变化快、观测时间短的问题，对自主导航系统进行可观测分析，并研究多尺度自适应高精度状态估计方法。再次针对巡视段探测器在行星表面复杂环境下的长时远距高精度自主导航问题，研究惯性/视觉/天文组合导航的初始对准和误差标定方法，并在此基础上实现高精度的惯性/视觉/天文组合导航。最后研制面向典型深空任务的自主导航地面半物理仿真实验系统，验证方法的有效性和可行性。

针对我国月球探测二、三期和火星探测任务对深空探测器自主导航的需求及深空探测任务转移段、捕获段和巡视段的不同特点和对导航的要求，研究了相应的自主天文导航及实验验证方法，取得了如下创新性研究成果:.针对转移段暗淡目标观测及多种系统误差抑制的难题，提出了基于反卷积的图像增强恢复和长时曝光观测图像的运动信息提取方法，天文/差分多普勒速度导航、天文/差分X射线脉冲星导航和脉冲星/差分多普勒速度导航方法，实现了转移段深空探测器的高精度自主导航。.针对捕获段系统模型及噪声快速时变的问题，提出了变尺度自适应状态估计、基于新息的递归自适应估计和基于CKF的多模型估计等天文导航方法，提高了捕获段深空探测器的自主导航精度；提出了利用太阳震荡时间延迟作为量测量的天文导航新方法，为解决捕获段深空探测器实时高精度自主导航提供了新的方法和思路。.针对巡视段探测器长时间、长距离、高精度、高可靠组合导航需求和INS/CNS/VNS在连续性、实时性、精度等方面的差异，提出了INS/CNS两位置对准及惯性器件误差标定，INS/VNS组合导航，双模式的INS/CNS组合导航及INS/VNS/CNS组合导航等方法，实现了高精度的惯性/视觉/天文信息融合，同时提出了基于双状态检测法的火星车故障诊断及隔离算法，提高了巡视段探测器导航系统的可靠性。.研制了一套基于天体模拟软件、天体模拟器和星敏感器模拟器的地面半物理仿真系统，进行了相关的半物理实验验证。.项目负责人和参与者共发表相关论文113篇，其中SCI收录67篇，Q1区论文31篇，出版学术专著1部，受理授权国家发明专利28项，其中授权22项。项目负责人房建成教授入选中国科学院院士，项目组成员吴伟仁研究员入选中国工程院院士，项目组成员宁晓琳副教授获得国家优秀青年科学基金，培养博士后2人、博士研究生10人、硕士研究生37人。所取得的研究成果已应用于我国月球和火星探测工程的总体方案论证中，为月球和火星探测器导航系统的参数设计和部分指标的论证提供了参考和依据，为实现我国火星探测器自主导航技术在实际型号中的应用奠定了坚实的基础。