[发明专利]基于可观测度分析的火星进入段自主导航方案设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于可观测度分析的火星进入段自主导航方案设计方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

随着人类科学技术的发展，以及多个火星探测任务的成功实施，火星探测已经逐渐成为航天领域的热点之一。为了获得更为有价值的科学素材，往往需要探测器着陆到具有较高科学价值的特定区域，而火星距离地球遥远，通信延迟大，所以需要自主导航制导与控制的支持，而自主导航技术是其前提条件。火星表面环境恶劣，进入段大气环境以及重力场等特性具有很大的不确定性，急需精确鲁棒的进入段自主导航以保证火星着陆精度。

“海盗号”的进入段导航采用基于惯性单元IMU的航位递推导航技术，后续的“火星探路者”、“勇气号”和“机遇号”、“凤凰号”以及“好奇号”任务都采用这种导航方式。航位递推导航技术由于进入段初始状态误差、IMU漂移和随机误差、外部环境扰动等因素，难以满足未来高精度火星着陆探测任务的着陆精度需求。

为了在只利用惯性单元测量数据的情况下得到更精确、鲁棒性更强的导航方法，有学者提出结合火星大气模型的进入段导航方案。针对火星进入段非线性动力学系统，引入火星大气密度指数模型，将IMU输出同时作为外部观测量，并利用滤波算法对探测器状态进行估计，但观测信息仍然很有限，并且严重依赖于火星大气模型的精确程度。

根据最近的研究结果，高频无线电信号可以在进入段的大部分时间穿过着陆器周围的等离子鞘。基于这一发现，有学者提出可以利用位置精确确定的无线电信标，如火星探测任务轨道器或火星表面人工信标，与着陆器之间进行无线电测量通信丰富着陆器在大气进入段的导航信息，有效提高导航精度。但导航性能受无线电信标的几何构型影响，如何选择无线电信标的构型以提高导航精度，仍需进一步研究。

发明内容

本发明的目的是为了提高火星进入段自主导航的精度与鲁棒性，结合火星大气进入段导航欠观测的特点，提出一种基于可观测度分析的火星进入段自主导航方案设计方法，针对基于无线电测量的火星进入段自主导航方案，通过对无线电信标几何构型的优化，实现对探测器进入状态的精确估计。

本发明方法的原理为利用导航系统可观测度表征导航系统性能，结合基于无线电测量的火星进入段自主导航方案，对导航信标几何构型进行优化，实现火星进入段自主导航方案设计，保证导航性能的最优。

基于可观测度分析的火星进入段自主导航方案设计方法的具体步骤如下：

步骤1：建立火星大气进入动力学模型。

在火星惯性坐标系下，考虑气动力、重力以及由于火星自转产生的哥氏力，探测器的6维状态矢量为x=[r，θ,φ,V，γ,ψ]^T，其中r为火星质心到探测器的距离，V为探测器速度，θ为经度，φ为纬度，γ为航迹角，ψ为指向角，ψ=0表示指向东。则火星进入段探测器的6自由度动力学模型为：

r·=Vsinγ]]>

θ·=Vrcosγcosψcosφ]]>

φ·=Vrcosγsinψ]]>