[发明专利]一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法

权利要求书

1.一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法，其特征在于：在航位递推导航方法的基础上，通过建立的等离子模型实时估计探测器驻点的等离子体密度，根据在线实时估计得到的等离子体密度自主切换导航方法；当等离子体密度低于通信临界电子密度时，无线电通信正常，采用无线电和惯性测量输出的组合导航方法，通过测量探测器与无线电信标之间的相对距离信息对探测器的状态估计偏差进行修正；当等离子密度大于无线电通信临界电子密度时，无线电通信“黑障”，采用动压辅助的导航方法，把惯性测量单元输出的三轴加速度和火星进入大气数据系统测量得到的动压值视为外部测量，并结合非线性滤波方法对探测器的状态进行估计，进而提高星大气进入段导航方法的可靠性及状态估计精度；

具体实现方法包括如下步骤，

步骤1：建立等离子密度模型，实时估计探测器驻点的等离子体密度；

在火星大气进入高超声速段，探测器与火星大气剧烈摩擦产生的气动热会导致探测器周围的空气电离产生等离子体，当等离子体的密度超过探测器的无线电通信频率对应的临界电子密度时，会导致无线电通信中断，产生通信“黑障”；因此，实时估计出探测器周围的等离子体密度是动压辅助导航方法自主切换的前提条件；探测器周围的等离子体密度主要由探测器相对火星表面的速度以及火星大气密度决定，通过式(1)获得探测器驻点等离子密度的估计值：

n_e＝cρ^aV^b(1)

其中，a，b，c为模型系数，V为探测器相对于火星表面的速度，单位为km/s，ρ为火星大气密度，假设火星大气密度ρ呈指数形式分布，由式(2)计算得到：

ρ=ρ0e(r0-r)hs---(2)]]>

其中，ρ₀＝2e-4kg/m³表示火星大气参考密度，r₀＝3,437,200m表示参考高度，h_s＝7500m火星大气标高；

步骤2：根据步骤1所述的等离子密度模型能够实时估计出探测器周围的等离子体密度；当等离子密度低于探测器无线电通信频率对应的临界电子密度时，无线电通信正常，系统采用无线电和惯性测量输出的组合导航方法，当等离子体密度大于无线电通信临界电子密度时，无线电通信“黑障”，探测器采用动压辅助的导航方法；所述的动压测量辅助的导航方法指把火星进入大气数据系统测量得到的驻点动压值和惯性测量单元输出的三轴加速度值视为外部测量，通过非线性滤波算法对探测器的状态进行估计；根据无线电导航方法或动压辅助组合导航方法分别建立对应的无线电测量模型和动压测量模型；

步骤3：根据步骤1得到的等离子密度模型，以及步骤2建立的无线电测量模型和动压测量模型，通过非线性滤波算法对探测器的状态进行估计，进而提高火星大气进入段导航状态估计精度。

2.如权利要求1所述的一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法，其特征在于：所述的非线性滤波方法采用扩展卡尔曼滤波或无迹卡尔曼滤波算法。

3.如权利要求1所述的一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法，其特征在于：所述的步骤2具体实现方法为，

当等离子密度低于通信临界电子密度时，无线电通信正常，通过测量探测器与无线电信标之间的相对距离对探测器的状态偏差进行修正；

所述的无线电信标的数量及位置根据导航精度需要而定，无线电信标越多，测量信息越丰富，导航精度越高；假设探测器在进入过程中有三颗信标在可见范围内：一颗轨道器和两颗火星表面信标；无线电信标的位置在探测器进入火星大气前由地面深空网准确测定；探测器与第i颗信标之间的距离由式(3)计算得到：

y=h1(x)=Ri+ϵRi=(r-ri)T(r-ri)+ϵRi---(3)]]>

其中，r，r_i分别表示探测器和第i(i＝1,2,3)颗信标在火星惯性系下的位置矢量，ε_Ri表示无线电测量噪声，服从高斯分布；

当等离子体密度大于无线电通信临界电子密度时，即通信“黑障”时，探测器通过惯性测量输出的三轴加速度值及火星进入大气数据系统获得飞行过程中探测器驻点动压值，通过非线性估计算法估计探测器的状态；所述的动压测量辅助的导航方法的测量模型建立如式(4)：

y=h2(x)=aq∞+ϵDA---(4)]]>

其中，ε_DA表示测量噪声，服从高斯分布；a表示探测器三轴加速度值，由式(5)确定：

a=-Dexw+L[-eywsinσ+ezwcosσ]---(5)]]>

q_∞表示探测器驻点动压值，由式(6)确定：

q∞=12ρ||vrel||2---(6)]]>

其中，表示速度坐标系单位矢量在火星惯性系下的表示；σ表示倾侧角，为系统控制变量，假设倾侧角σ为常值；D、L表示阻力加速和升力加速度，由式(7)确定：

FT=0.5CDρV2SmFN=0.5CLρV2Sm---(7)]]>

其中，C_D，C_L表示探测器的阻力系数和升力系数，S表示探测器参考面积，m表示探测器质量，参数C_D，C_L，S，m都视为常值；

速度坐标系三轴定义由式(8)和式(9)确定：

exw=vrel||vrel||---(8)]]>

eyw=-exw×r||exw×r||,ezw=exw×eyw---(9)]]>

其中，为探测器相对火星表面的速度，Ω＝[0,0,7.095e-5]^Trad/s表示火星自转角速度在火星惯性系下的表示；

则整个导航方法的量测模型如下：

等离子密度低于无线电通信临界电子密度时，即通信正常时：

y=h1(x)=(r-ri)T(r-ri)+ϵRi---(10)]]>

等离子体密度大于无线电通信临界电子密度时，即通信“黑障”时：

y=h2(x)=aq∞+ϵDA---(11)]]>

火星大气进入段导航系统根据系统在线实时估计得到的等离子体密度自主切换导航方法，确保进入过程中火星大气进入段导航系统能够获得的测量信息最大化。