[发明专利]一种深空探测器自主导航系统构建方法及装置

说明书

本发明涉及深空探测领域，尤其涉及一种深空探测器自主导航系统构建方法及装置，所述方法包括：根据深空探测器各阶段的探测轨道，构建自主导航系统的动力学模型和多敏感器观测模型；并进一步构建两类模型的模型误差补偿项；根据探测轨道所处空间环境的稳定性，基于模型误差补偿项，对两类模型误差进行分类实时补偿；根据数据深度加权的多模型融合估算方法，对多敏感器的观测数据进行融合加权；基于对模型误差的分类实时补偿以及对观测数据的融合加权，构建自主导航系统。本发明通过对深空探测器动力学模型和观测模型等两类模型误差进行分类实时补偿处理，将数据深度应用到多敏感器观测数据的融合规则中，从而提高了深空探测器自主导航系统的精度。

技术领域

本发明涉及深空探测领域，尤其涉及一种深空探测器自主导航系统构建方法及装置。

背景技术

目前，正在运行的深空探测器主要以来自地面的无线电测控进行导航。受地球曲率和地球自转的影响，地面测控仅能观测探测器的局部弧段，不能全程覆盖，影响了导航精度。而且集中式的地面测控，导致系统运行存在风险，一旦地面测控站出现故障，探测器面临丢失的危险。对深空转移轨道而言，地面测控还存在时延过长、精度低等特点，对于远距离的行星，地面测控很难保障，另外昂贵和复杂的测控和通信设备也是地面测控面临的重要问题。因此，只有依赖自主导航才能实现真正意义上的深空探测。自主导航技术能减少操作的复杂性，增强探测器的自主生存能力，并为姿态控制、机动规划和轨道控制等方面的自主能力提供支持，从而扩展探测器的空间应用潜力，因此，自主导航方法逐渐成为深空探测任务的研究热点，根据探测器携带敏感器的不同和测量信息的获取方式的不同，主要分为天文导航、无线电导航、卫星导航、惯性导航等方式。

为了最大程度的利用信息冗余优势，根据数据融合原理，将几类导航系统结合起来组成一体化组合导航系统，成为深空探测自主导航的重要发展方向。

深空探测组合自主导航是指完全不依赖地面测控站测量信息及状态指令控制，由星载敏感器自主分别捕获空间测量信息或辐射信息，传输至星载计算机，处理系统根据探测器轨道动力学或运动学方程，按照一定的估计准则和数据融合准则，解算轨道位置和姿态并预测下一时刻轨道状态的导航过程。精确描述探测器运动特征的轨道动力学模型、准确表征探测器运动现实的轨道观测模型和测量数据、有效合理的融合滤波估计算法是高精度深空探测组合自主导航的三个关键因素。即数据层上要有高精度的多源异质的全维度的测量数据，模型层上要有精确的可分离描述的模型解释，算法层上要有高效的信息利用准则。动力学模型决定了探测器的力学精度，观测模型和观测数据决定了探测器的几何精度，而融合导航滤波算法决定了两类模型以及各类模型间的拟合程度。要获得高精度的自主导航结果需要对这三个因素进行分析与优化。

数据层上，受硬件设备精度、空间环境、处理电路的影响，探测器的测量数据将存在不同精度的随机误差；同时，敏感器的安装误差、平台误差、处理算法等会造成测量数据的系统性偏差，另外包括异常值、粗大误差等这些误差将混杂在测量数据中。以数字式太阳敏感器为例，即使在信号处理电路中采用数字编码细分技术，其设备精度也仅仅在角分级，即测得的航天器本体坐标轴与太阳光夹角的随机误差在角分级。太阳敏感器安装在卫星平台上，平台误差、环境误差等会直接影响测量设备精度，形成系统误差、粗大误差等。同时，一体化组合导航系统中，同一敏感器系统的多通道同质测量数据、不同敏感器测量体系的异质测量数据和不同时段内敏感器联合测量数据等都需要一种合理高效的融合方法将不同属性、不同频域，不同精度、不同时间的多频多源异质异时测量数据进行融合获得全维度的信息。