[发明专利]一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法

摘要

本发明公开了一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法，首先建立目标天体星历误差状态模型和量测模型，并根据预测与实际天体图像的位置差获取星历误差量测量；其次将星历误差状态模型和轨道动力学模型联立作为天文导航系统状态模型，并将星历误差量测模型和星光角距量测模型作为天文导航系统的量测模型，采用Unscented卡尔曼滤波方法，估计探测器位置、速度和目标天体星历误差，并将所估计的星历误差反馈至状态模型中，修正目标天体星历数据，获得自主校正星历误差后的相对于目标天体和相对于日心的探测器位置和速度。本发明属于航天导航技术领域，可在线估计天体星历误差，修正导航系统的模型误差，适用于探测器捕获段。

主权项

一种基于星历修正的捕获段深空探测器自主天文导航方法，其特征在于：建立目标天体星历误差状态模型和量测模型，并根据预测天体图像与实际天体图像的位置差获取目标天体星历误差量测量；其次将目标天体星历误差状态模型和基于太阳和八大行星引力的轨道动力学模型联立作为天文导航系统状态模型，并将目标天体星历误差量测模型和星光角距量测模型作为天文导航系统的量测模型，采用Unscented卡尔曼滤波方法，估计探测器位置、速度和目标天体星历误差，并将所估计的目标天体星历误差反馈至状态模型中，修正目标天体星历数据，提高状态模型的模型精度，获得自主校正星历误差后的相对于目标天体和相对于日心的探测器位置和速度；具体包括以下步骤：① 建立目标天体星历误差状态模型式中，bx,by,bz为目标天体星历三轴位置误差，为目标天体星历三轴位置误差的微分，为目标天体星历误差状态模型误差；② 建立目标天体星历误差量测模型Bm＝[bx by bz]T+wm式中，wm为目标天体星历误差的测量噪声；Bm为目标天体星历误差量测量；③ 量测量目标天体星历误差的获取A.目标天体矢量方向的获取根据目标天体敏感器成像原理，获得预测目标天体质心所对应的单位矢量，实际图像中目标天体质心所对应的单位矢量；B.目标天体图像半径的获取由于目标天体在二维成像面阵上的图像并不是一个点，而是一个圆，利用边缘检测算法，提取火星图像轮廓，计算目标天体图像轮廓距离目标天体质心的距离，获得在二维成像平面坐标系中目标天体实际图像的半径和在二维成像平面坐标系中目标天体预测图像的半径C.探测器到目标天体质心距离的解算探测器到实际目标天体质心之间的距离可以表示为：式中，Rtarget为目标天体半径，可由地面天文数据库获得，f为目标天体敏感器的焦距，为实际目标天体质心在二维成像平面坐标系中的坐标；探测器到星历所预测的目标天体质心之间的距离可以表示为：式中，为根据星历所预测的目标天体质心在二维成像平面坐标系中的坐标；D.目标天体星历误差的解算在敏感器测量坐标系中，目标天体星历误差矢量可以根据探测器到实际目标天体质心的矢量和探测器到星历所预测目标天体质心的矢量计算得出：由此可得，在目标天体质心惯性坐标系中目标天体星历误差可以表示为：式中，Aib为探测器本体系至目标天体质心惯性坐标系的姿态转移矩阵，Abc为探测器敏感器坐标系至本体系的转移矩阵；④ 建立深空探测器天文导航系统的星历误差扩维状态模型在目标天体质心惯性坐标系中，建立深空探测器基于太阳和八大行星引力轨道动力学模型，并与步骤①所建立的目标天体星历误差模型联立，构成天文导航系统的状态模型；式中，X(t)＝[x,y,z,vx,vy,vz,bx,by,bz]T为天文导航系统状态模型的状态向量，x,y,z,vx,vy,vz分别为探测器在目标天体质心惯性坐标系中三轴的位置和速度，bx,by,bz为目标天体星历三轴位置误差，为X(t)的微分，f(X(t),t)为天文导航系统状态模型的系统非线性连续状态转移函数，为天文导航系统状态模型误差；其中wx,wy,wz,分别为状态模型中探测器三轴位置和速度的状态模型误差；⑤ 建立天文导航系统量测模型天文导航系统量测模型选取星光角距量测模型和步骤②中所建立的星历误差量测模型作为量测模型：式中，θ1i、θ2i和θ3i(i＝1,2,3)为目标天体和两个卫星与三颗背景恒星之间的星光角距，为在目标天体质心惯性坐标系中目标天体到探测器的单位矢量，为目标天体图像中第i个恒星在惯性坐标系中的单位矢量；为在目标天体质心惯性坐标系中目标天体第一个卫星到探测器的单位矢量，为目标天体第一个卫星图像中第i个恒星在目标天体质心惯性坐标系中的单位矢量；为在目标天体质心惯性坐标系中目标天体第二个卫星到探测器的单位矢量，为目标天体第二个卫星图像中第i个恒星在目标天体质心惯性坐标系中的单位矢量，v1i,v2i,v3i分别为θ1i,θ2i,θ3i的测量误差，Bm为量测量星历误差，bx,by,bz为目标天体星历三轴位置误差，vm为星历误差模型误差；设天文导航系统量测量Z＝[θ11,θ12,θ13,θ21,θ22,θ23,θ31,θ32,θ33,bx,by,bz]T，天文导航系统量测噪声分别为量测量θ11,θ12,θ13,θ21,θ22,θ23,θ31,θ32,θ33,bx,by,bz的观测误差，由于各变量都是与时间t有关的变量，则可建立天文导航系统量测模型的表达式为：Z(t)＝h[X(t),t]+v(t)式中，h[X(t),t]为天文导航系统非线性连续量测函数；⑥ 对步骤④和步骤⑤中的状态模型和量测模型进行离散化；⑦ 天文导航量测量的获取及处理；目标天体星历误差量测量的获取可根据步骤③获得；星光角距量测量由天文导航敏感器获得目标天体的图像，利用图像处理技术，确定天体质心的像元像线坐标；经过从像元像线坐标系到二维成像平面坐标系、从二维成像平面坐标系到敏感器测量坐标系的三次转换，确定天体及其背景恒星在敏感器测量坐标系中的单位矢量；最后计算天体单位矢量与背景恒星单位矢量间的星光角距；⑧ 对天文导航系统进行Unscented卡尔曼滤波根据天文导航系统状态模型、天文导航系统量测模型、天文导航敏感器获得的量测量，进行天文导航系统Unscented卡尔曼滤波，获得在目标天体质心惯性坐标系中表示深空探测器位置、速度和目标天体星历误差的估计状态向量和估计均方误差阵Pk；⑨ 天文导航系统对目标天体星历误差进行反馈校正将步骤⑧中获得的目标天体星历误差和目标天体星历估计均方误差阵反馈回深空探测器的状态模型中，并重新确定状态模型的模型误差协方差阵，最后将校正后的模型误差协方差阵输入至天文导航系统Unscented卡尔曼滤波中，修正下一时刻的导航结果；⑩ 计算日心惯性坐标系中的探测器位置、速度估计状态向量将步骤⑧获得的第k时刻探测器在目标天体质心惯性坐标系中的位置、速度估计状态向量转换至日心惯性坐标系中，得到日心惯性坐标系中的估计状态向量最终输出在目标天体质心惯性坐标系中和在日心惯性坐标系中的估计状态向量和估计均方误差阵Pk，估计状态向量分别表示在目标天体质心惯性坐标系中和日心惯性坐标系中探测器的位置、速度信息，输出的估计均方误差阵Pk表示了滤波估计的性能，并将这些导航信息分别返回天文导航系中，用于k+1时刻的位置、速度导航信息，k＝1,2,...。