[发明专利]一种基于多模型的火星大气进入容中断估计方法

摘要

本发明公开的一种基于多模型的火星大气进入容中断估计方法，涉及火星大气进入容中断估计方法，属于深空探测技术领域。本发明实施步骤为步骤1建立火星大气进入段动力学方程。步骤2建立火星大气进入段无线电测量模型及无线电测量中断模型，用于步骤3对探测器位置和速度信息的修正。步骤3结合步骤2无线电模型及中断模型及滤波算法对探测器状态进行解算，估计出探测器的状态。本发明可有效抑制无线电测量中断下探测器状态估计发散问题，提高探测器在火星大气进入段的自主导航系统的可靠性及状态估计精度。本发明可为未来火星着陆探测中大气进入段采用无线电导航方案设计提供技术支持和参考。

主权项

一种基于多模型的火星大气进入容中断估计方法，其特征在于：首先，基于火星惯性坐标系建立火星大气进入段动力学方程；其次，当探测器进入火星大气进入段后，当无线电测量未中断时，建立无线电模型测量模型获取探测器的状态信息，所述的无线电模型测量模型获取探测器的状态信息的方法为通过测量探测器相对信标的距离和速度信息，通过EKF算法对探测器的状态信息进行解算获取，修正惯性单元(Inertial Measurement Unit,IMU)初始误差；当无线电测量中断时通过无线电中断模型获取探测器的状态信息，所述的无线电中断模型获取探测器的状态信息方法为将无线电测量信号视为噪声，通过修正的EKF获取探测器的状态信息；通过无线电模型和无线电中断模型交换算法获得探测器的最终状态估计信息，有效的抑制了无线电测量中断下探测器状态估计发散问题，保证了系统的可靠性及状态估计精度；具体实现步骤如下，步骤1：建立火星大气进入段动力学方程；在火星惯性系下，探测器的状态x包括位置矢量r＝[x,y,z]T，速度矢量v＝[vx,vy,vz]T；火星大气进入段探测器的状态方程如下所示：r·=vv·=a+g---(1)]]>其中，a表示气动加速度在惯性系下的表示，g表示重力加速度在惯性系下的表示，其中a和g可由下式求得：其中，r表示探测器的位置在火星惯性系下的表示，表示风向坐标系(Wind Frame，WF)三轴的单位矢量在火星惯性系中的表示，σ表示探测器的倾侧角，是火星大气进入段主要控制变量，倾侧角视为常值，D，L分别表示气动阻力和气动升力在风向坐标系中的表示；其中，风向坐标系x轴定义如下：vrel=r·-Ω*re1w=vrel||vrel||---(3)]]>其中，上角标“w”表示风向坐标系，vrel表示探测器相对于火星大气的速度在火星惯性系下的表示，假设火星大气相对于火星表面为静止的，表示探测器相对于火星惯性系的速度，Ω表示火星的自转角速度速度，忽略火星章动的因素，设Ω＝4.282829e13为常值，符号“*”表示矢量叉乘，||vrel||表示相对速度的2范数，轴定义如下：e2w=-e1w*r||e1w*r||e3w=e1w*e2w---(4)]]>其中，位于当地水平面，和轴组成笛卡尔直角坐标系，这样可以得到风向坐标系相对于火星惯性系的转换矩阵如下：CIW=[e1w,e2w,e3w]]]>其中，CIW表示由风向坐标系转向火星惯性系转换的转换矩阵；步骤2：建立火星大气进入段无线电测量模型及无线电测量中断模型，用于步骤3对探测器位置和速度信息的修正；探测器携带的加速度计可以测量得到探测器三轴的加速度信息，气动加速度a在风向坐标系表示为：a=-D-LsinσLcosσ---(5)]]>探测器携带的无线电信号接收机接收来自m个轨道器/地面信标的无线电信号，并从中得到信号从轨道器/地面信标传播到探测器的时间ti及信号频率Δfi的变化，计算出探测器和m个轨道器/地面信标之间的相对距离Ri及相对速度Vi的变化，探测器和第i个轨道器/地面信标之间的相对距离Ri和相对速度Vi表示为：Ri=c·ti=(r-rBeaconi)T(r-rBeaconi)Vi=c·Δfi=(r-rBeaconi)T(v-vBeaconi)/||(r-rBeaconi)||---(6)]]>式中，c为光速，ti表示第i个轨道器发射的无线电信号到达探测器的传播时间，Δf表示探测器与信标之间无线电信号频率改变值，表示第i个无线电信标在火星惯性系下的位置，表示第i个无线电信标在火星惯性系下的速度表示；则基于IMU和无线电测距、测速的导航量测模型如下：y=h(x)+υ=aRV+avRvVv---(7)]]>式中，a表示气动加速度如式(5)所示，R＝[R1,…,Rm]，V＝[V1,…,Vn]，av、Rv、Vv分别为加速度计测量噪声及无线电接收机的测量误差，针对进入段无线电测量会存在中断现象，对测量模型进行修正如下：yk＝γkh(xk)+υk  (8)其中，γk表示一个随机数，γk＝1表示无线电测量正常，γk＝0表示无线电测量中断；步骤3结合步骤2无线电模型及中断模型对探测器状态进行解算，估计出探测器的状态；根据步骤1得到火星大气进入段探测器的状态方程以及步骤2得到的量测模型yk＝γkh(xk)+υk，采用基于扩展卡尔曼滤波(Extend Kalman Filter,EKF)算法，针对进入段无线电测量存在中断的情况，把无线电模型量测模型和中断模型视为两个模型，并对传统的EKF算法进行修正，保证无线电测量中断条件下状态探测器的状态估计精度与系统的鲁棒性。