[发明专利]一种基于周期变星的航天器自主导航方法

权利要求书

1.一种基于周期变星的航天器自主导航方法，其特征在于步骤如下：

(1)建立用于航天器自主导航的周期变星数据库，该数据库包括周期变星的星名、赤经、赤纬、星等、光变振幅、光变周期、周期稳定性及周期变星的光变特性星钟模型；

(2)在航天器上安装周期变星观测器，从而得到测量时刻t的三颗周期变星光亮度、周期变星在航天器本体坐标系下的经度和纬度信息；

周期变星光亮度即为周期变星的测量光变相位φ_t,i，i＝1,2,3；所述三颗周期变星为预先指定；

(3)将φ_t,i带入周期变星的星钟模型，分别得到三颗周期变星光变相位到达太阳系质心的时刻t_s,i；

(4)分别取所述三颗周期变星的测量光变相位φ_t,i，根据三颗周期变星光变相位到达太阳系质心的时刻t_s,i，建立导航的观测方程；

(5)当航天器处在地心引力作用范围内时，在地心赤道惯性坐标系下建立周期变星导航观测方程；

(6)当航天器处在地心引力作用范围内时，建立航天器的轨道动力学方程；

(7)分别取三颗周期变星的光变相位φ_t,i到达时间差τ_i作为测量信息，通过步骤(5)得到的观测方程以及步骤(6)得到的轨道动力学方程，利用标准的扩展卡尔曼滤波进行导航位置和速度的解算，得到t时刻地心赤道惯性坐标系下的航天器相对地球球心的位置坐标[x y z]和航天器相对地球球心速度坐标[v_x v_y v_z]；

(8)利用步骤(1)数据库中的三颗周期变星的赤经、赤纬，以及步骤(2)中周期变星观测器得到的在航天器本体坐标系下的周期变星的经度和纬度信息，采用多矢量定姿方法，确定航天器本体相对于惯性空间的姿态信息；

(9)根据步骤(7)中得到的航天器相对地球球心的位置坐标[x y z]、航天器相对地球球心的速度坐标[v_x v_y v_z]以及步骤(8)中得到的航天器本体相对于惯性空间的姿态信息，实现基于周期变星的航天器自主导航。

2.根据权利要求1所述的一种基于周期变星的航天器自主导航方法，其特征在于：所述步骤(1)星钟模型表示为：

t_s＝t₀+kT+f(φ_t)，

其中，t₀表示周期变星相对太阳系质心的初始计时时刻，k表示初始计时后，周期变星的累积整周期数，f(·)表示周期变星的光变曲线函数，由地面观测到的该周期变星的光变数据拟合得到；t_s为周期变星光变相位φ_t到达太阳系质心的时刻；T为周期变星的光变周期。

3.根据权利要求1所述的一种基于周期变星的航天器自主导航方法，其特征在于：所述步骤(4)导航的观测方程为：

其中τ_i表示航天器上测量的周期变星测量光变相位φ_t,i到达时间差；表示周期变星相对太阳系质心的矢量方向；表示航天器相对于太阳系质心的位置矢量；c为光速；为周期变星测量噪声。

4.根据权利要求1所述的一种基于周期变星的航天器自主导航方法，其特征在于：所述步骤(5)周期变星导航观测方程为：

其中，表示地心赤道惯性坐标系下的三轴坐标，x_e、y_e、z_e表示地心赤道惯性坐标系下太阳系质心相对于地球球心的位置三轴坐标，表示周期变星相对太阳系质心的矢量方向，为周期变星测量噪声。

5.根据权利要求1所述的一种基于周期变星的航天器自主导航方法，其特征在于：所述步骤(6)航天器的轨道动力学方程为：

其中，表示航天器相对于地球球心的距离，μ为地球引力常数，J₂表示地球二阶带谐项系数，R_e为地球赤道半径，是轨道动力学方程的模型误差分量。