● 摘要
深空探测巡视器的高精度自主导航是完成探测任务的基本保障。目前巡视器通常采用的自主导航方法包括惯性导航、视觉导航、天文导航和车轮里程计等，车轮里程计由于滑移问题已逐渐只用作备份。惯性导航具有短时姿态精度高、导航参数完备、数据更新快和误差模型较为精确的优点，但位置误发散严重。视觉导航具有位置精度较高、体积小的优点，但其姿态精度较低、计算量大、且位置精度随航向角误差增大而非线性发散。天文导航获得星敏感器相对惯性系的绝对角度信息，没有惯性导航和视觉导航的误差累积问题。因此，惯性导航、视觉导航和天文导航具有很好的优势互补特性，对于长时间长距离的巡视器自主导航任务，惯性/视觉组合导航方法及惯性/视觉/天文组合导航方法是目前巡视器自主导航方法的研究热点。
本文首先研究了传统惯性/视觉组合导航方法（INS/VNS）并进行了优化，然后在INS/VNS的研究成果基础上进一步研究了惯性/视觉/天文组合导航（INS/VNS/CNS）方法。具体工作包括：
（1）研究了世界坐标系下的惯性导航和双目视觉导航基本原理，并对双目视觉导航的误差传递特性进行了详细分析。视觉导航的误差源包括内外参标定误差、特征点提取和匹配误差、相机相对巡视器的安装误差，三维重建过程的误差传递没有解析的表达形式。将视觉导航的单步位置误差分解为位置误差累积项和位置误差与姿态误差耦合项，通过仿真证明耦合项是主要组成部分。
（2）根据量测量将INS/VNS模型分为三类：视觉相对运动参数（QT-INS/VNS）、惯性与视觉相对运动参数差（dQT-INS/VNS）和视觉特征点坐标（FPc-INS/VNS）。通过月面仿真和地面实验分析得到传统dQT-INS/VNS方法在三类方法中具有最好的综合导航特性。然后针对dQT-INS/VNS模型的两个问题分别提出了改进方法：1）量测模型中惯性姿态误差定义与平台失准角定义不一致，导致惯性与视觉相对旋转差的误差表达式中需要做近似处理。事实上，当航向角较大时，该近似处理的误差可超过平台失准角大小，不可忽略。通过利用含误差的惯性姿态已知的特点，建立了不需要进行该近似处理的改进量测模型。2）传统INS/VNS模型不考虑视觉常值误差，通过视觉导航误差特性分析，建立了量测量与视觉相对运动参数常值误差的关系，估计并补偿视觉常值误差从而提高导航精度。月面仿真和地面实验均表明所提出的改进方法相比传统方法可有效提高导航精度。在以上惯性/视觉组合模型的研究基础之上，分别提出了相应的惯性/视觉/天文组合导航模型，并通过月面仿真和地面实验验证了其有效性。
（3）设计并实现了基于惯导轨迹发生器和月面虚拟视景软件的月面仿真系统。