学术报告

研究主要作者及机构、发表刊物与时间

本文的研究题目为“Visual Navigation Using Edge Curve Matching for Pinpoint Planetary Landing”，主要作者为Pingyuan Cui、Xizhen Gao、Shengying Zhu和Wei Shao。作者分别隶属于以下机构：北京理工大学宇航学院暨深空探测自主导航与控制重点实验室（工业和信息化部重点实验室）以及青岛科技大学自动化与电子工程学院等。本研究投稿至期刊《Acta Astronautica》。

学术背景

本研究的学术领域隶属于航天技术与系统开发（Space Technology & Systems Development）的视觉导航（Visual Navigation）方向，特别针对火星和小行星等天体精准着陆（Pinpoint Landing）这一复杂但至关重要的任务。由于其广泛的工程及科学意义，精准着陆能力对于未来采样返回任务或重点科学目标区域的着陆至关重要。然而，由于目标天体与地球之间的时间延迟较长，以及未知的行星环境导致的导航系统误差，准确定义着陆器位置与状态成为一项挑战。

目前，基于被动式视觉传感器的导航方案逐渐受到青睐，这类方案具有设备轻便、功耗低、成本低等优势。此前已有的视觉导航方法，如采用SIFT特征点匹配、视觉+惯性耦合导航、基于激光雷达的距离测量等，尽管在精度上有一定突破，但都面临计算成本过高、匹配点外差难以剔除，以及特征点（Feature Points）复杂环境下不易适配等问题。这些痛点促使本研究提出基于陨石坑边缘曲线（Crater Edge Curve）的视觉导航新方案。

研究目标

本文研究的目标是在降落过程开发一种基于陨石坑的创新型视觉导航方法，通过利用地理参考数据库进行绝对位置信息融合，结合陨石坑所提供的边缘信息实现更高精度、更鲁棒的着陆导航。同时，通过误差分析提出可实时检测无效观测值（Outlier）的新型可观测性（Observability）判据，以进一步保证导航性能。

研究详细流程

总体导航系统概述

研究基于两个主要部分构建了总体视觉导航系统：陨石坑基绝对导航和陨石坑基相对导航： 1. 陨石坑基绝对导航：通过陨石坑匹配（地理参照数据库与下降影像），获得着陆器的绝对位置和姿态。 2. 陨石坑基相对导航：通过相邻两帧影像中陨石坑边缘曲线匹配，估算着陆器的相对运动状态。

两个系统通过简单变换实现柔性融合，为着陆器持续估算绝对位置与姿态提供支持。

基于陨石坑曲线的相对状态估算

数据输入与关键假设

本算法的输入包括： 1. 图像对（来自降落过程相机拍摄的持续两帧图像）。 2. 区域内陨石坑的边缘曲线提取与匹配结果。

假设陨石坑匹配过程已完成，每个陨石坑边缘曲线满足相似仿射变换关系。

相对运动描述与约束

通过引入多个坐标系（例如参考坐标系、相机坐标系等），以定义着陆器的姿态和位置。旋转矩阵和位移向量通过两帧图像之间的同伦变换关系描述。在此基础上，建立陨石坑曲线的几何约束表达公式，并利用克罗内克积（Kronecker Product）将其转化为线性等式组，从而估算出图像间相对状态。

提升精度的归一化与去噪

为了克服噪声对估算的影响，实现更高鲁棒性，研究引入了一种基于归一化的同伦估计算法。在图像预处理阶段完成归一化操作，使曲线变换后接近单位矩阵，从而改善算法的数值稳定性。根据实验结果，归一化后能显著降低状态估算误差，尤其是对位置和姿态的估算。

可观测性判据及异常检测

通过理论分析，作者指出最小特征值的变化对导航系统的可观测性非常敏感，并提出了两种可观测性判据： 1. 第一种判据（σ1）定义为观测矩阵最大和最小特征值的比值； 2. 第二种判据（σ2）衡量最小特征值的偏差。

实验表明，当判据值超出理论范围时，观测值通常存在匹配错误，可实时剔除外点观测。

融合相对与绝对导航的联合估算

通过对绝对导航的定时修正，使长期累积的相对导航误差减少。结合降落过程中对应不同高度的数据，研究设计了一种灵活的联合估计算法，定期用陨石坑基绝对导航结果替代部分相对导航状态，保证了最终姿态与位置估计的精度。

实验与结果分析

相对导航实验

实验对比了归一化与未归一化算法在多种噪声条件下的表现，模拟中引入噪声类型包括： 1. 图像中心点噪声； 2. 较长轴与短轴的噪声； 3. 倾斜角噪声。

结果显示，归一化算法在位置误差和姿态误差方面均表现显著优于未归一化算法，在1公里高度时位置误差低于10m，姿态误差小于0.2度。

与基于特征点（Feature Point）的导航方法对比

通过只使用陨石坑数量远少于特征点的实验，结果表明基于陨石坑的方法在精度和稳定性上明显优于特征点方法。此外，陨石坑方法内存开销更低，更适用于资源受限的深空任务。

可观测性实验

通过分析可观测性判据与估算误差的相关性，实验表明高判据值对应着较大的误差，由此进一步验证了两种判据在航天导航系统中的有效性。

联合估算实验

在5公里至1公里高度范围内，定期融合绝对导航信息的联合算法极大地降低了误差累积问题，最终绝对位置与姿态误差维持在10m和0.5度以内。

研究结论及价值

本研究提出了一种创新的视觉导航方法，充分利用陨石坑边缘曲线的几何特性，为深空探索任务提供更加精确的着陆导航解决方案。以下几点概括了研究的主要贡献： 1. 开发了基于归一化估算的新型视觉导航模型，有效提升鲁棒性和计算效率。 2. 提出了新型可观测性判据，能够实时剔除无效观测。 3. 提出了一种柔性联合导航框架，融合了相对与绝对导航优势，解决累积误差问题。

本方法不仅在火星、小行星任务中具有广泛的工程应用前景，同时对视觉导航技术的发展提供了新的理论和技术支持。

研究亮点

1. 基于边缘曲线信息开发导航方案，超越点特征法的精度；
2. 提出了具有一般适用性的新型可观测性判据；
3. 通过陨石坑绝对与相对导航结合，攻克了累积误差的问题，适用于复杂动态环境中的精确导航。