[发明专利]基于可观测度分析的火星进入段自主导航方案设计方法

摘要

本发明涉及一种基于可观测度分析的火星进入段自主导航方案设计方法，属于深空探测技术领域。具体为利用导航系统可观测度表征导航系统性能，结合基于无线电测量的火星进入段自主导航方案，对导航信标几何构型进行优化，实现火星进入段自主导航方案设计，保证导航性能的最优。本发明方法利用线性化方法计算可观测性矩阵，计算量小，运算速度快；利用可观测性矩阵条件数的倒数定义导航系统可观测度，对导航系统可观测性给出了定量的度量；实现导航系统可观测度最大，进一步提高了导航系统性能。

主权项

1.基于可观测度分析的火星进入段自主导航方案设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立火星大气进入动力学模型；在火星惯性坐标系下，考虑气动力、重力以及由于火星自转产生的哥氏力，探测器的6维状态矢量为x=[r，θ,φ,V，γ,ψ]^T，其中r为火星质心到探测器的距离，V为探测器速度，θ为经度，φ为纬度，γ为航迹角，ψ为指向角，ψ=0表示指向东；则火星进入段探测器的6自由度动力学模型为：r·=Vsinγ]]>θ·=Vrcosγcosψcosφ]]>φ·=Vrcosγsinψ]]>V·=-D-gsinγ]]>γ·=1V[Lcosσ-(g-V2r)cosγ]+2ω(tanγsinψcosφ-sinφ)]]>ψ·=-1Vcosγ(Lsinσ+V2rcos2γcosψtanφ)+2ωcosψcosφ]]>其中σ为倾侧角，ω为火星自转角速度；g为重力加速度，L，D分别为探测器受到的升力和阻力加速度：g=μr2,]]>L=12ρV2SmCL,]]>D=12ρV2SmCD]]>式中μ为火星引力常数，ρ为大气密度，S为探测器的参考面积，m为探测器质量，C_L和C_D分别为探测器的升力和阻力系数；将火星进入段探测器的动力学模型描述为x＝f(x)形式；给定探测器初始进入状态，得到探测器进入轨迹；步骤2：建立火星进入段自主导航测量模型；通过探测器与装备无线电收发装置的无线电信标间的无线电测量及通信，得到探测器与无线电信标之间的相对距离及相对速度为：Ri=(xBeaconi-x)2+(yBeaconi-y)2+(zBeaconi-z)2,]]>x=rcosφcosθ,y=rcosφsinθ,z=rsinφi=1,2,...,nVi=dRidt]]>式中R_i与V_i分别为探测器到第i颗无线电信标的相对距离与相对速度，分别为第i颗无线电信标位置矢量的三轴分量，x，y，z分别为探测器位置矢量的三轴分量，n为无线电信标的个数；根据对多个无线电信标不同测量信息的组合，构建火星进入段自主导航测量模型为y=[R_i,V_i]^T=h(x),i=1,2,...,n步骤3：判断无线电信标可见性；第i颗信标到探测器的相对位置矢量为vi=[x-xBeaconi,y-yBeaconi,z-zBeaconi]T]]>其单位矢量为v_ni=v_i/|v_i|无线电信标处水平面的单位法向量为ni=[xBeaconi,yBeaconi,zBeaconi]T(xBeaconi)2+(yBeaconi)2+(zBeaconi)2]]>探测器的单位位置向量为nc=[x,y,z]Tx2+y2+z2]]>对于火星表面的人工无线电信标，若在整个探测器进入过程中，探测器与信标位置关系满足arccos(vni·ni)<π2]]>则第i颗信标为可见，否则第i颗信标为不可见；步骤4：计算导航系统可观测度；步骤4.1：建立可观测性矩阵；针对非线性动力学系统x=f(x)及测量模型y=h(x)，在当前状态下，利用Taylor级数展开，并保留线性项：Δx·=AΔx,]]>A=∂f(x)∂x|x=x‾]]>Δy=CΔx，C=∂h(x)∂x|x=x‾]]>其中利用线性化动力学系统构建可观测性矩阵为O＝[C^T,A^TC^T,…,(A^T)⁵C^T]^T步骤4.2：计算导航系统可观测度；当某个无线电信标不可观时，可观测度为0；选择进入过程中导航系统可观测度的最小值作为无线电信标几何构型对应的导航系统可观测度DO：步骤5：优化无线电信标构型；根据探测器进入轨迹和步骤3的位置关系确定无线电信标位置矢量三轴分量的取值范围，将导航系统可观测度DO最大作为优化目标，在满足无线电信标位置矢量三轴分量取值范围的条件下，利用现代全局优化算法对无线电信标构型进行优化，得到优化后的n个无线电信标构型。