[发明专利]基于导航信息评价的双体小行星探测轨迹优化方法

说明书

本发明公开的基于导航信息评价的双体小行星探测轨迹优化方法，属于自主导航领域。本发明实现方法为：当主星的位置已知，从星的位置不确知，在双小行星系统惯性坐标系下建立探测器的动力学方程；根据探测器所使用的导航系统建立主星和从星的视线观测模型和探测器间的测距测角模型，并根据状态方程和观测方程构建可观测性矩阵，计算可观测度；选取轨迹优化性能指标并确定双体小行星探测的轨迹约束，采用优化算法进行轨迹优化，根据搜索到的两颗探测器最优的初始位置和速度能够得到两颗探测器最优的飞行轨迹，沿最优轨迹飞行能使两颗探测器整体的导航性能最优，并且准确地估计从星的位置。

技术领域

本发明涉及一种基于导航信息评价的双体小行星探测轨迹优化方法，属于自主导航领域。

背景技术

小行星探测是当前深空探测领域的研究热点。与单小行星相比，双小行星系统的不规则引力场、自旋以及双星相互作用等因素，导致双星系统动力学更加复杂、探测难度大，对导航系统要求高。自主光学导航是实现双体小行星探测的关键技术之一，为实现双体小行星精准探测，需要研究双体小行星探测器自主精确导航技术，其中如何设计探测器的轨迹以便达到期望的导航性能要求，是双体小行星导航的一个关键技术，直接影响了探测器的自主定位能力，决定了探测任务是否能够成功完成，因此基于导航信息评价的轨迹优化方法是当前科技人员关注的重点问题之一。

在已发展的双体小行星导航方法中，在先技术[1](参见Vasile M,Torre F,SerraR,et al.Angles-Only Navigation of a Formation in the Proximity of a BinarySystem[C].2018 Space Flight Mechanics Meeting,Kissimmee,Florida,2018.)，仅利用相机和探测器间的通信获得观测信息，并采用无迹H_∞滤波方法进行状态估计，对单颗/两颗探测器在双小行星系统拉格朗日点L4周围的导航和位置保持进行研究。由于该方法中的单颗/两颗探测器导航均是在主星和从星位置已知的情况下进行的，而实际过程中主星和从星星历并不准确，从星相对于主星的位置也因此不准确，导航精度也因此变差，需要对从星相对于主星的位置进行估计。

在已发展的基于导航信息评价的轨迹优化方法中，在先技术[2](欧阳威,张洪波,郑伟.环火星自主导航系统设计及参数优化研究[J].深空探测学报,2017,4(1):43-50.)，两颗探测器在火星环绕段采用粒子群优化方法基于可观测度优化两颗探测器的轨迹，采用扩展卡尔曼滤波确定探测器自身的位置和速度。但该方法是在单颗天体的动力学环境下基于可观测度优化两颗探测器的轨迹，由于双体小行星动力学环境不同，观测模型也不同，该轨迹优化方法并不适用。

发明内容

为解决双体小行星导航过程中，主星和从星星历不准确使从星相对于主星的位置不准确并影响导航精度的问题，本发明公开的基于导航信息评价的双体小行星探测轨迹优化方法要解决的技术问题是：以双体小行星探测导航系统的可观测度作为评价标准，结合双体小行星探测的轨迹约束，采用优化算法进行探测器轨迹优化得到最优轨迹，沿最优轨迹飞行能使两颗探测器整体的位置、速度估计精度最优，并且从星位置的估计精度也最优。

本发明目的是通过下述技术方案实现。

本发明公开的基于导航信息评价的双体小行星探测轨迹优化方法，当主星的位置已知，从星的位置不确知，在双小行星系统惯性坐标系下建立探测器的动力学方程；根据探测器所使用的导航系统建立主星和从星的视线观测模型和探测器间的测距测角模型，并根据状态方程和观测方程构建可观测性矩阵，计算可观测度；选取轨迹优化性能指标并确定双体小行星探测的轨迹约束，采用优化算法进行轨迹优化，根据搜索到的两颗探测器最优的初始位置和速度可以得到两颗探测器最优的飞行轨迹，沿最优轨迹飞行能使两颗探测器整体的导航性能最优，并且准确地估计从星的位置。

本发明公开的基于导航信息评价的双体小行星探测轨迹优化方法，包括步骤如下：