[发明专利]一种着陆或附着深空天体探测器的高精度导航方法

说明书

技术领域

本发明属于深空探测器的制导、导航与控制技术领域，具体涉及一种可以应用于着陆或附着深空天体探测器的高精度导航方法。

背景技术

由于深空天体与地球之间的远距离，基于地面深空网的导航很难满足深空着陆或附着GNC系统对探测器状态实时性和精度的要求，因此，自主导航就成为安全和准确地着陆或附着深空天体的一项关键技术。基于IMU的导航早在美国的Apollo、Surveyor和前苏联的Luna系列等着陆任务就已得到应用。近期的一些深空着陆器，如美国的Phoenix和MSL火星着陆器、日本的Selene-B月球着陆器等仍然采用了基于IMU的导航，因此，基于IMU的导航依然是深空天体着陆的主要自主导航方式。由于初始导航误差和IMU测量误差的累积将导致导航误差逐渐增大，因此，为了保证导航精度和提高探测器相对天体表面的测量精度，必须利用一些敏感器提供的探测器相对天体表面的测量信息对惯性导航结果进行修正。

对于深空天体着陆探测器的导航，探测器相对着陆目标天体表面的距离和速度是重要的观测量，前苏联的Lunar系列探测器、美国的Surveyor和Apollo系列探测器都采用测距仪和测速仪获取探测器相对月面的距离和速度信息。目前采用的方法是利用惯性导航位置确定天体中心的方向，将测距仪获取探测器相对天体表面的距离利用惯性姿态转化为相对天体表面的高度，结合测速仪获取的速度，用来修正或替换惯性导航的高度和三维速度信息，而无法修正惯性导航提供的位置和姿态误差，必然导致导航姿态、高度和速度误差随着时间的增大而逐渐增大，因此，无法满足高精度着陆或附着深空天体探测器制导与控制的需求。

发明内容

针对目前方法存在的不足，本发明提出一种着陆或附着深空天体探测器的高精度导航方法，该方法不受惯性导航误差随时间不断增大的影响，能够有效地提高着陆或附着探测器自主导航关键导航参数的精度，能够满足高精度着陆或附着深空天体探测器制导与控制的需要。

实现本发明目的的技术方案：一种着陆或附着深空天体探测器的高精度导航方法，它包括以下步骤：

(1)确定探测器本体坐标系的三维速度；

(2)确定探测器本体坐标系的天体中心位置初值；

(3)确定本体系的天体中心位置和方向；

(4)确定探测器相对轨道坐标系的姿态角和速度；

(5)确定探测器相对天体表面的高度；

(6)确定探测器相对轨道坐标系的角速度。

所述的步骤(1)中确定探测器本体坐标系的三维速度的具体步骤为：

采用探测器上的测速仪测量三个非共面波束的速度v₁，v₂，v₃以及测速仪三个波束安装指向l_b1，l_b2，l_b3，确定探测器本体坐标系的三维速度

所述的步骤(2)中确定探测器本体坐标系的天体中心位置初值(x′_b，y′_b，z′_b)的具体步骤为：

采用探测器上的陀螺测量探测器姿态角速度ω，根据前一时刻t₀的探测器惯性姿态四元素q＝[q₁ q₂ q₃ q₄]^T，确定当前时刻t的探测器本体坐标系与惯性系的姿态转换阵C_bI；