[发明专利]一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种火星大气进入段组合导航方法，尤其涉及一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

未来火星采样返回及载人火星探测任务要求探测器具有定点着陆的能力，定点着陆要求在大气进入段对探测器进行精确的导航、制导与控制，确保探测器能精确达到预开伞点。在火星大气进入段精确确定探测器的状态信息是定点着陆探测的前提条件。

以往成功着陆的火星探测任务中，火星大气进入段都采用基于惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)输出的航位递推(Dead Reckoning，DR)导航方法。由于航位递推导航方法不能对初始状态偏差进行修正，以及难以消除敏感器系统偏差对状态估计精度的影响，导致状态估计偏差随时间发散，难以满足未来定点着陆的导航精度需求。而目前基于无线电和惯性测量单元输出的组合导航方法中，由于无线电信号对外界环境敏感，尤其在高超声速段，探测器与火星大气剧烈摩擦产生的气动热会导致周围空气电离。等离子体密度超过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”。长时间的通信“黑障”会导致进入段状态估计偏差随时间发散。

通过在线实时估计探测器周围的等离子体密度，把火星大气进入段导航分为通信正常和通信“黑障”两部分。等离子体密度低于无线电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，可对探测器的状态进行估计；当等离子密度高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(Dynamic Pressure Measurement Aid,DA)导航方法，把驻点动压测量值及惯性测量单元三轴加速度信息视为外部测量，对探测器的状态进行估计。

发明内容

针对目前无线电和惯性测量单元输出的组合导航方法可能存在无线电通信“黑障”，及“黑障”段采用单一航位递推导航方法探测器的状态估计偏差存在发散难题。本发明公开的一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法要解决的技术问题是，解决现有组合导航方法中存在的上述技术难题，进而提高火星大气进入段导航方法的可靠性及状态估计精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法，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，即无线电通信正常时，采用无线电和惯性测量单元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，即通信“黑障”时，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，进而提高火星大气进入段导航方法的可靠性及状态估计精度。

本发明公开的一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法，可以有效抑制无线电测量长时间中断时采用单一航位递推导航方法探测器的状态估计偏差存在发散的难题，保证了导航方法的可靠性及状态估计精度。

所述的非线性滤波方法采用扩展卡尔曼滤波(Extend Kalman Filter,EKF)，无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法。

本发明公开的一种动压辅助的火星大气进入段组合导航方法，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：