2025年大學《空間科學與技術》專業(yè)題庫——火星探測車自主導航系統(tǒng)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題1.簡述慣性導航系統(tǒng)（INS）在火星探測車導航中面臨的主要誤差來源及其特點。2.對比說明視覺導航（VIO）和激光雷達導航（LiDAR）在火星表面進行定位建圖時的主要優(yōu)缺點。3.解釋什么是地形相對導航（TRN），并簡述其工作原理及其在平坦或復雜地形下的適用性。4.簡述卡爾曼濾波在火星探測車多傳感器導航數據融合中的基本原理及其作用。二、論述題1.論述火星探測車在穿越沙塵暴或低能見度區(qū)域時，自主導航系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出相應的應對策略。2.結合火星探測任務的特點，論述實現(xiàn)高精度定位與地圖構建（SLAM）所需考慮的關鍵技術問題。3.試述火星探測車自主導航系統(tǒng)與任務規(guī)劃、避障系統(tǒng)之間的交互與協(xié)同工作方式。試卷答案一、簡答題1.慣性導航系統(tǒng)（INS）誤差來源及特點：*答案：主要誤差來源包括：慣性元件（陀螺儀、加速度計）的標度因子誤差、漂移誤差（隨機漂移和固定漂移）、安裝誤差、環(huán)境誤差（如振動、沖擊、溫度變化）以及算法誤差。特點：漂移誤差隨時間累積，導致定位精度下降；對初始對準精度要求高；環(huán)境誤差影響顯著；提供連續(xù)的導航信息。*解析思路：考察對INS基本原理和誤差模型的理解。首先列出INS的核心誤差來源，區(qū)分不同類型的誤差（硬件誤差、環(huán)境誤差、算法誤差）。然后，分析這些誤差對導航結果的具體影響，特別是漂移誤差的累積效應，這是INS最大的缺點。最后，簡述其基本特性，如對初始對準的依賴、環(huán)境敏感性等。2.VIO與LiDAR導航優(yōu)缺點對比：*答案：VIO優(yōu)點是成本相對較低、不受光照影響、可提供豐富的環(huán)境幾何信息；缺點是對特征點依賴性強、易受傳感器噪聲和振動影響、在動態(tài)或紋理單一環(huán)境中魯棒性差。LiDAR優(yōu)點是精度高、測距穩(wěn)定、不受光照影響、可穿透淺層煙霧；缺點是成本高、易受沙塵等障礙物遮擋、功耗較大、數據量大。*解析思路：考察對不同導航傳感器的性能特點的掌握。要求分別列出VIO和LiDAR的主要優(yōu)點和缺點，并進行比較。優(yōu)點和缺點需要結合其工作原理和實際應用場景來闡述，例如VIO利用視覺特征，因此對光照敏感但成本低；LiDAR直接測距，因此精度高但成本高。3.地形相對導航（TRN）：*答案：TRN是一種利用探測車與已知或實時測繪的地形特征之間的幾何關系進行定位的方法。工作原理：通過匹配探測車傳感器（如視覺、激光雷達）獲取的實時地形特征（如坡度、距離、角度）與預先存儲的地形模型或實時測繪的地圖數據進行比較，計算探測車的相對位姿。適用性：在特征顯著、地形變化明顯的區(qū)域效果好，但在平坦開闊或特征稀疏區(qū)域效果差。*解析思路：考察對TRN基本概念和工作原理的理解。首先要準確定義TRN。然后，解釋其核心原理，即基于特征匹配或幾何關系解算位姿。最后，說明其適用條件，強調其對地形特征的依賴性。4.卡爾曼濾波在多傳感器融合中的作用：*答案：卡爾曼濾波是一種遞歸的估計濾波器，用于從包含噪聲的測量數據中估計系統(tǒng)的內部狀態(tài)。在多傳感器導航數據融合中，它通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程，利用不同傳感器的測量值，結合系統(tǒng)的先驗知識和模型，遞歸地估計出最優(yōu)（或次優(yōu)）的狀態(tài)估計（如位置、速度、姿態(tài)），同時估計估計量的誤差協(xié)方差。其作用是有效融合不同傳感器的信息，提高導航系統(tǒng)的精度和魯棒性，抑制單一傳感器的誤差累積。*解析思路：考察對卡爾曼濾波原理及其在融合應用中作用的理解。首先，簡要說明卡爾曼濾波的基本概念和功能（狀態(tài)估計）。然后，重點闡述其在多傳感器融合中的具體應用：如何利用多個傳感器的測量值，以及如何通過濾波算法實現(xiàn)信息的融合和誤差的抑制。強調其遞歸性和最優(yōu)估計的特性。二、論述題1.火星沙塵暴/低能見度導航挑戰(zhàn)與應對：*答案：主要挑戰(zhàn)包括：傳感器（特別是光學傳感器如相機、LiDAR）性能急劇下降或失效；慣性導航誤差快速累積導致定位丟失；路徑規(guī)劃與避障困難；通信鏈路受阻。應對策略：采用防塵設計（如密封、過濾）；配備備用或不同類型的傳感器（如慣性導航增強、超聲波、雷達）；利用慣性導航短期預測維持基本導航；開發(fā)基于地形、熱成像或慣性導航的魯棒路徑規(guī)劃算法；設計容錯機制，允許短暫導航中斷或依賴地面指令；利用TRN等相對導航技術輔助定位。*解析思路：考察對復雜場景下導航系統(tǒng)可靠性的分析和解決能力。首先，全面分析沙塵暴或低能見度對導航系統(tǒng)各組成部分（傳感器、INS、規(guī)劃）的具體影響和挑戰(zhàn)。然后，針對這些挑戰(zhàn)，提出具有針對性的、可行的技術或策略解決方案，體現(xiàn)對火星環(huán)境特殊性的理解和應對能力。2.火星探測車SLAM關鍵技術問題：*答案：關鍵技術問題主要包括：1）地圖表示與構建：如何在火星復雜、非結構化環(huán)境中高效構建并維護大范圍、高精度的地圖（如柵格地圖、點云地圖、特征地圖），并處理地圖的快速增長和更新。2）定位精度與魯棒性：如何在缺乏GPS、特征稀疏或動態(tài)變化的環(huán)境中實現(xiàn)高精度、高魯棒性的實時定位。3）傳感器融合與標定：如何有效融合不同模態(tài)傳感器（視覺、IMU、LiDAR等）的數據，并進行精確標定，以克服單一傳感器的局限性。4）實時性與計算效率：如何在探測車有限的計算資源下，實現(xiàn)SLAM算法的實時運行，滿足導航和決策的時效性要求。5）環(huán)境適應性與魯棒性：如何應對光照變化、沙塵、天氣等環(huán)境因素對傳感器性能和算法穩(wěn)定性的影響。*解析思路：考察對SLAM技術難點和關鍵點的深入理解。要求從SLAM的各個環(huán)節(jié)（地圖、定位、融合、計算、環(huán)境適應性）出發(fā)，識別出在火星特定場景下需要重點解決的技術挑戰(zhàn)，并進行深入闡述。3.自主導航與任務規(guī)劃、避障的交互協(xié)同：*答案：自主導航系統(tǒng)與任務規(guī)劃、避障系統(tǒng)的交互協(xié)同是火星探測車成功執(zhí)行任務的關鍵。導航系統(tǒng)提供探測車的實時位姿、速度和朝向信息，這是任務規(guī)劃進行路徑規(guī)劃、狀態(tài)估計和效果評估的基礎。同時，導航系統(tǒng)接收來自任務規(guī)劃的期望軌跡或目標點，并執(zhí)行跟蹤控制。避障系統(tǒng)依賴導航系統(tǒng)提供的實時位姿信息來感知周圍環(huán)境，確定潛在碰撞風險點，并將避障指令（如轉向、減速）反饋給導航系統(tǒng)或直接用于運動控制，實現(xiàn)動態(tài)路徑調整。三者形成一個閉環(huán)：導航提供狀態(tài)和感知基礎；任務規(guī)劃設定目標和路徑框架；避障提供實時風險信息和調整依據，三者信息共享、相互制約、協(xié)同工作，確保探測車安全、高效地完成預定任務。*解