[发明专利]一种月球探测器测角/时间差分距离/速度组合导航方法

说明书

本发明涉及一种月球探测器测角/时间差分距离/速度组合导航方法，首先根据轨道动力学建立探测器的状态模型，再分别利用天体敏感器获得星光角距，无线电接收机接收来自地面站或中继卫星的无线电距离和多普勒速度并进行时间差分获得无线电时间差分距离和时间差分多普勒速度以消除时钟误差和频率漂移误差，并以天文测角/无线电时间差分距离/差分多普勒速度作为量测量，之后分别建立星光角距、无线电时间差分距离及无线电时间差分多普勒速度量测模型，离散化后使用UKF滤波估计探测器的位置和速度。本发明属于月球探测器自主导航领域，本发明估计精度高，对探测器自主导航具有重要的实际意义。

技术领域

本发明属于月球探测器自主导航领域，涉及一种月球探测器测角、时间差分距离和速度组合导航方法。

背景技术

深空探测技术作为一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要特征与标志，已引起世界各国的极大关注。我国把月球探测作为在深空探测中的第一步。“嫦娥四号”作为我国发射的世界首个在月球背面巡视探测的探测器，对月球背面的科学探索发挥着重要的作用。高精度导航是任务完成的关键之一。

目前，航天器主要通过地面站遥测导航，但是对于月球背面，存在着无法直接与地球通信的局限性，因此迫切需要实现自主导航。可用于月球探测器的自主导航方法主要有天文测角导航方法。天文测角导航方法通过测量探测器与近天体及导航恒星之间的夹角获得探测器的位置信息，但这种方法的导航精度随着探测器与近天体间距离的增加而下降，且无法提供速度信息。地面站或中继卫星(鹊桥)无线电通讯导航可以同时提供距离和速度信息，且只需接收无需回传无线电信号，从而实现自主导航信息处理。但是接收机的频率漂移误差及星载原子钟的时间测量误差差将影响无线电通讯导航精度。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种月球探测器测角/时间差分距离/速度组合导航方法，利用星光角距量测量提供绝对位置信息，利用无线电时间差分距离和速度减弱系统误差的影响，提供探测器相对地面站或中继卫星(鹊桥)位置与速度信息，将三种量测量通过UKF滤波组合，为月球探测器提供高精度的导航信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：根据轨道动力学建立探测器的状态模型，利用天体敏感器获得星光角距，利用无线电测距获得探测器相对地面站或中继卫星(鹊桥)的时间差分距离，同时通过无线电多普勒测速获得探测器与地面站或中继卫星(鹊桥)之间的时间差分多普勒速度，然后分别建立星光角距量测模型、无线电时间差分距离和无线电时间差分速度量测模型。离散化后使用UKF滤波估计探测器的位置和速度。

具体包括以下步骤：

1.建立基于轨道动力学的系统状态模型

将月球探测器的运动描述为以月球为中心天体的受摄三体模型，将其他扰动视为过程噪声；在月球中心惯性坐标系下的动力学模型可写为：

其中||·||表示矢量的2范数，||·||³表示||·||的立方，r和v是探测器相对月球的位置和速度。μ_m和μ_e分别是月球和地球的引力常数，r_e是地球相对月球的位置矢量，r_me＝r-r_e是探测器相对地球的位置矢量；w是各种扰动造成的过程噪声；

可由上式得到状态模型如下：

其中状态量X＝[r,v]^T为探测器在月球惯性坐标系下的位置及速度，为状态量X的导数，为时刻t的f(X(t),t)为系统非线性连续状态转移函数，w为过程噪声，w(t)为时刻t的w。

2.建立星光角距的量测模型

利用天体敏感器获得月球与恒星一、恒星二间的星光角距，以这些星光角距作为量测量建立量测模型：