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卫星自主导航中的地物方位测量方法

薛晴  
【摘要】:随着人类对太空的不断探索,航天任务的数量逐渐增加,任务也变得更加复杂,而实现卫星自主导航是卫星完成各种航天任务的基础。天文导航方法是目前最常用的卫星自主导航方法,文章针对天文导航中使用红外地平仪方法直接获取地球方向矢量精度过低的缺陷,构建了基于景象匹配和天文导航方法的组合导航系统,并对系统的导航性能进行了仿真验证。本文重点研究了基于景象匹配方法获取地物方向矢量以及基于支持向量机的基准图像筛选两部分内容。论文针对天文导航的缺陷提出了景象匹配/天文导航的组合导航系统,利用景象匹配方法获取地物方位矢量,结合天文导航系统中利用星敏感器和星图匹配方法获取的导航星视线矢量方向,将两个矢量的夹角作为观测量,基于轨道动力学方程和滤波估计方法实现卫星的自主导航。针对传统天文导航系统基于红外地平仪获取地球方向矢量的方法存在精度不高的缺陷,文章给出了利用景象匹配获取地球方向矢量的方法。将传感器的光心方向作为地物方向矢量,利用景象匹配方法获取光心点对应地面坐标位置,结合卫星位置向量的几何关系建立系统观测模型。通过仿真比较常用的匹配特征SIFT和SURF,选择精度更高、鲁棒性更好的SIFT特征用于匹配导航。利用基于KD-tree和BFF的快速搜索算法提升特征匹配的速度,使用RANSAC方法减少误配点,进一步提高匹配精度。为了获取更高精度的匹配结果,文章提出了一种基于SVM的基准图像筛选方法。组合导航系统中景象匹配使用的SIFT特征具有良好的鲁棒性,针对这一点,选择相关峰特征、图像方差、相位独立象元数和有效轮廓密度、矩阵奇异值分解比等作为测度参数,基于SVM实现基准图像筛选,并进行仿真实验,得到了准确度为86%的基准图像筛选结果。最后,论文对组合导航系统的测定轨性能进行了仿真分析。利用Google Earth获取的遥感图像作为实验数据,基于STK软件产生的模拟轨道参数,对组合导航系统进行了轨道测量仿真,验证了系统的可行性并分析比较了不同滤波方法和观测量的数量对系统精度的影响。


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