[发明专利]基于器间测距的小天体引力场反演修正方法

说明书

本发明公开的基于器间测距的小天体引力场反演修正方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：将小天体引力场势函数用球谐系数模型表示，将球谐系数模型中的系数作为引力场反演的待估参数；以器间测距为观测量，结合探测器在小天体固连坐标系下的动力学模型，建立包含状态方程和观测方程的小天体引力场反演系统；对小天体引力场反演系统状态进行估计，得到引力场反演的待估参数，同时得到探测器在小天体固连坐标系下的位置与速度，实现探测器自主定轨。将引力场反演的待估参数代入小天体引力场球谐系数模型，得到反演修正小天体引力场，进而提高小天体附近轨道设计与导航制导控制精度，并提升着陆安全性和小天体探测任务成功概率。

技术领域

本发明涉及一种基于器间测距的小天体引力场反演修正方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

引力场是小天体重要的物理特征之一，建立高精度的小天体引力场，特别是不规则形状小天体引力场，有助于探索小天体的内部结构、质量与密度分度等信息，从而获得新的科学发现。通过传统的光学观测手段对小天体三维模型进行重构，在均匀密度的假设下，建立引力场模型。由于这类方法的信息源来自小天体表面观测，因此建立的引力场模型较为粗糙，无法体现小天体内部结构与质量信息。本专利旨在发明一种基于器间测距的小天体引力场反演修正方法，通过两个绕飞小天体的探测器之间的测距信息反演出小天体的引力场，为未来小天体探测工程提供技术参考。

发明内容

本发明公开的基于器间测距的小天体引力场反演修正方法要解决的技术问题为：在两个以上探测器绕飞小天体的过程中，利用探测器间测距信息，结合小天体的先验引力场模型，修正小天体引力场模型参数，实现引力场反演修正目的，进而提高小天体附近轨道设计与导航制导控制精度，并提升着陆安全性和小天体探测任务成功概率。本发明能够为小天体引力场反演提供技术支持和参考，并解决相关工程问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于器间测距的小天体引力场反演修正方法，用引力场势函数描述小天体的引力场，将小天体引力场势函数用球谐系数模型表示，将球谐系数模型中的系数作为引力场反演的待估参数；以器间测距为观测量，结合探测器在小天体固连坐标系下的动力学模型，建立包含状态方程和观测方程的小天体引力场反演系统；结合基于器间测距的小天体引力场反演系统，对小天体引力场反演系统状态进行估计，得到引力场反演的待估参数，同时得到探测器在小天体固连坐标系下的位置与速度，实现探测器自主定轨。将所述引力场反演的待估参数代入小天体引力场球谐系数模型，得到反演修正小天体引力场，并构建小天体附近轨道设计动力学模型或导航制导控制动力学模型，通过所述小天体附近轨道设计动力学模型提高轨道设计精度，提升绕飞着陆安全性；通过所述导航制导控制动力学模型，提高小天体附近导航制导控制精度，并提升小天体探测任务成功概率。

本发明公开的基于器间测距的小天体引力场反演修正方法，包括如下步骤：

步骤1：用引力场势函数描述小天体的引力场，将小天体引力场势函数用球谐系数模型表示，将球谐系数模型中的系数作为引力场反演的待估参数。

用引力场势函数描述小天体的引力场，小天体引力场势函数的球谐系数模型如式(1)所示。

式中，V为小天体引力场势函数，μ为小天体引力常数，r为探测器到小天体中心的距离，P_nm为勒让德多项式及其函数，n和m分别是多项式的次数和阶数，r₀为小天体的参考半径，φ和λ分别为小天体的纬度和经度，C_nm和S_nm为归一化的系数。归一化的系数C_nm和S_nm即为小天体引力场反演中需要估计的参数。

步骤2：以器间测距为观测量，结合探测器在小天体固连坐标系下的动力学模型，建立包含状态方程和观测方程的小天体引力场反演系统。