[发明专利]一种行星着陆过程引力方向实时确定方法及装置

说明书

一种行星着陆过程引力方向实时确定方法，属于航天器自主导航技术领域，首先将本体坐标系下的着陆器速度和引力方向作为状态量，建立相应的系统状态方程，然后建立测速敏感器的测量方程，最后利用约束卡尔曼滤波技术实现对本体系下的速度和引力方向的实时估计。本发明方法利用卡尔曼滤波框架进行引力方向估计，可以通过滤波的方差对状态估计的收敛性进行判断。本发明方法不需要对历史时刻的观测量进行存储，计算量小，适宜星上计算。

技术领域

本发明涉及一种行星着陆过程引力方向实时确定方法，特别是火星着陆过程，属于航天器自主导航技术领域。

背景技术

火星探测任务的进入、降落与着陆段(Entry，Descent，and Landing，简称EDL)是火星探测器近7亿千米旅途的最后6、7分钟，是火星表面探测任务的关键阶段，也是最困难的阶段。EDL技术也是火星表面探测任务的关键技术之一。迄今为止，大部分火星着陆任务的失败都是在EDL过程中发生的。在EDL过程伞降过程中，动态极高，而且无法建立完善的动力学模型进行分析。这一过程的高动态导致IMU极易饱和甚至出现故障，而一段IMU出现饱和故障，将丧失姿态基准。而目前的着陆任务中在根据测距信息计算高度信息的，利用了惯导的姿态基准。一旦姿态丧失基准，高度信息解算错误就会影响任务的成功实施。2016年欧空局ExoMars火星任务的着陆器就是因为IMU出现饱和使得姿态基准丧失，造成了高度计算错误引发GNC指令执行错误，最终导致着陆器坠毁。显然姿态基准的丢失会导致测距测速敏感器的高度和速度解算错误以及惯性导航的高度和速度预测错误，这就要求系统不仅利用测距测速敏感器和惯性测量单元对惯性导航的基准进行重建。惯性导航基准重建关键为确定引力方向在新的惯性基准下的投影。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种行星着陆过程引力方向实时确定方法，首先将本体坐标系下的着陆器速度和引力方向作为状态量，建立相应的系统状态方程，然后建立测速敏感器的测量方程，最后利用约束卡尔曼滤波技术实现对本体系下的速度和引力方向的实时估计。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种行星着陆过程引力方向实时确定方法，用于着陆器的着陆过程，着陆器上装有测速敏感器，包括如下步骤：

S1、在着陆器本体坐标系下，建立着陆器速度的状态方程和引力加速度的状态方程；

S2、设定滤波状态量，根据着陆器速度的状态方程和引力加速度的状态方程，建立状态估计预测方程和误差状态方差的预测方程；建立着陆器的测速敏感器每个波束的测量方程；

S3、根据测速敏感器每个波束的测量方程和误差状态方差的预测方程，确定每个波束的状态估计预测值，获得行星着陆过程任一时刻的引力方向估计值。

上述行星着陆过程引力方向实时确定方法，优选的，S2中，根据着陆器速度的状态方程和引力加速度的状态方程，获得滤波状态方程；然后根据滤波状态方程获得状态估计预测方程和误差状态方差的预测方程。

上述行星着陆过程引力方向实时确定方法，优选的，S3中，根据测速敏感器每个波束的测量方程和误差状态方差的预测方程，迭代确定每个波束的状态估计预测值。

上述行星着陆过程引力方向实时确定方法，优选的，S3中，根据最后一个波束的状态估计预测值，获得行星着陆过程任一时刻的引力方向估计值。

上述行星着陆过程引力方向实时确定方法，优选的，S3中，根据测速敏感器每个波束的测量方程和误差状态方差的预测方程，首先确定任一波束的非约束卡尔曼滤波增益矩阵，然后确定该波束的状态估计预测值。

上述行星着陆过程引力方向实时确定方法，优选的，根据所述引力方向实时确定方法，重建惯性导航基准，确定探测器的垂向速度、水平速度、高度。