[发明专利]一种借力飞行轨道上深空探测器的自主天文导航方法

摘要

本发明涉及一种借力飞行轨道上深空探测器的自主天文导航方法。根据距离行星的远近建立相应的状态方程，利用星敏感器敏感的星光角距和用纯天文几何解析方法解算得到的位置信息，通过一种模糊多模自适应UKF(FMMUKF)方法进行导航系统参数的估计。本发明适用于借力飞行轨道上的深空探测器的导航定位，属于航天导航技术领域，可应用于多天体交会借力飞行轨道深空探测器导航参数的确定。

主权项

1.一种借力飞行轨道上深空探测器的自主天文导航方法，其特征在于：针对借力飞行轨道上的深空探测器根据距离行星的远近，建立相应的状态方程，其中利用星敏感器敏感的星光角距和用纯天文几何解析方法解算得到的位置信息，最后通过模糊多模自适应UKF方法进行导航系统位置速度的最优估计；具体包括以下步骤：(1)通过判断深空探测器距离行星的远近，分别建立借力飞行轨道上深空探测器的导航系统第一状态方程和第二状态方程；若深空探测器在天体影响球之外，建立基于四体轨道动力学模型的第一状态方程为X·1(t)=f1(X,t)+w1(t);]]>若深空探测器在天体影响球之内，建立基于二体受摄轨道动力学模型的第二状态方程X·2(t)=f2(X,t)+w2(t);]]>式中，X为模型的状态量，X＝(x，y，z，v_x，v_y，v_z)，包括x，y，z探测器在日心惯性坐标系中的三轴位置和v_x，v_y，v_z探测器在日心惯性坐标系中的三轴速度；分别为两个模型状态变量的微分项，f₁(X，t)、f₂(X，t)分别为两个模型的非线性连续状态转移函数，w₁(t)、w₂(t)分别为两个状态模型的噪声。(2)建立N个以星光角距和纯天文几何解析解算得到的位置信息为量测量的量测子模型为：α1i=arccos(-rp1i·srp1i)+vα1iα2i=arccos(-rp2i·srp2i)+vα2iα3i=arccos(-rp3i·srp3i)+vα3iXci=xi+vxiYci=yi+vyiZci=zi+vzi]]>式中，α_1i，α_2i，α_3i分别为是第i个子模型观测的三颗星与导航星之间的星光角距，r_p1i、r_p2i和r_p3i分别为第i个子模型观测的三颗星质心到探测器的位置矢量，s为导航星星光方向的单位矢量，由星敏感器识别，为第i个子模型由星光角距得到的量测噪声；X_ci，Y_ci，Z_ci为第i个子模型纯天文几何解算得到的位置信息；x_i，y_i，z_i为第i个子模型中探测器在日心惯性坐标系中的三轴位置；v_xi，v_yi，v_zi为第i个子模型的纯天文解析的计算误差，式中所有变量均为与t有关的变量；量测方程则使用模型集：Z_i(t)＝h_i(X_i(t)，t)+v_i(t)i＝1，2，…，N；Z_i(t)＝[α_1i，α_2i，α_3i，X_ci，Y_ci，Z_ci]T为第i个子模型的量测量，h_i[X_i(t)，t]为第i个子模型的非线性连续量测函数，vi(t)=[vα1i,vα2i,vα3i,vxi,vyi,vzi]T]]>为第i个子模型的量测噪声，N为设置的模型数目，由量测噪声的种类决定，为2-20个。(3)对第一状态方程和第二状态方程及量测方程进行离散化X₁(k+1)＝F₁(X(k)，k)+w₁(k)或X₂(k+1)＝F₂(X(k)，k)+w₂(k)Z_i(k)＝H_i(X_i(k)，k)+v_i(k)式中，k＝1，2，…，i＝1，2…N，F₁(X(k)，k)，F₂(X(k)，k)分别为f₁(X，t)，f₂(X，t)离散化后的非线性状态转移函数，H_i(X_i(k)，k)为h_i(X_i(t)，t)离散化后的非线性量测函数，w₁(k)，w₂(k)和v_i(k)互不相关。(4)用状态方程与量测方程进行模糊多模自适应UKF滤波，以获得借力飞行轨道上深空探测器的导航定位信息；其中模糊多模自适应UKF滤波方法，以标称状态值和量测值定义模糊集合，然后根据各子模型得到的状态估计值和量测值Z_i(k)计算各个模型的隶属度w_qi(k)，将隶属度作为所使用模型的权重，并对权值进行归一化；(5)输出位置，速度信息。X^(k)=ΣiNwqi(k)X^i(k)]]>P(k)=Σi=1Nwqi(k)[Pi(k)+{X^i(k)-X^(k)}·{X^i(k)-X^(k)}T]]]>式中，和P(k)分别为k时刻的状态变量估计值和估计方差，其中X^(k)=[x^y^z^v^zv^yv^z]T,]]>分别是对借力飞行轨道上深空探测器在X、Y、Z三个方向的位置和速度x，y，z，v_x，v_y，v_z的估计；并输出估计方差阵P=[px,py,pz,pvx,pvy,pvz]T,]]>其中p_x，p_y，p_z，分别是借力飞行轨道上深空探测器在X、Y、Z三个方向位置和速度的估计方差；Pi(k)分别为k时刻的第i个子模型的状态估计值和估计方差；w_qi(k)为第i个子模型的隶属度。