[发明专利]一种基于相对测量信息的火星最终接近段自主导航方法

摘要

本发明公开的一种基于相对测量信息的火星最终接近段自主导航方法，属于深空探测技术领域。本发明为实现火星最终接近段自主导航，建立最终接近及环绕动力学模型；结合X射线脉冲星到达时间差分信息和火星轨道器的多普勒测速信息，基于非线性滤波算法，对接近探测器和火星轨道器的状态进行联合估计，利用X射线脉冲星到达时间差分信息和火星轨道器的多普勒测速信息两种相对测量信息实现绝对导航，提高火星最终接近段自主导航精度与进入点状态估计精度。具有如下优点：避免引入行星星历误差，降低脉冲星参数不确定性对导航性能的不利影响；降低脉冲星观测时间长引起的状态发散问题；同步提高两个探测器的导航性能；提高导航滤波精度及收敛速度。

主权项

1.一种基于相对测量信息的火星最终接近段自主导航方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：建立火星最终接近及环绕动力学模型；火星最终接近段及环绕段导航系统动力学模型建立在火星中心惯性坐标系下；十二维状态向量包括用下标s表示的火星接近探测器的位置和速度向量和用下标o表示的火星轨道器的位置和速度向量，记为其中r_s＝[r_x,s r_y,s r_z,s]^T,v_s＝[v_x,s v_y,s v_z,s]^T；其中r_o＝[r_x,o r_y,o r_z,o]^T,v_o＝[v_x,o v_y,o v_z,o]^T；采用J₂扰动下的二体动力学方程作为系统动力学模型进行状态递推，即完成建立火星最终接近及环绕动力学模型，记为其中f(x)＝[f^T(x_s) f^T(x_o)]^T，μ是火星引力常数，R_M为火星平均半径，J₂为火星的二阶带球谐系数，r_i为向量r_i的模，w设为非相关过程噪声，遵循公式(3)所示的统计特性；E(w)＝0,E(ww^T)＝Q                            (3)Q为过程噪声协方差矩阵；步骤2：建立火星最终接近及环绕自主导航测量模型；火星最终接近及环绕自主导航测量模型包括X射线脉冲星到达时间差分信息测量模型和基于火星轨道器的多普勒速度测量模型；对于单一探测器来说，在接收到X射线脉冲之后，将其与太阳系质心标准轮廓进行对比，即可得到脉冲到达太阳系质心与脉冲到达探测器时间之差TOA，记为Δt_i，构建为，式中，n_j为太阳系中指向第j颗脉冲星的单位方向向量，b为太阳系质心相对太阳中心的位置向量，r_b为探测器相对于太阳系质心的位置向量，b和r_b为对应向量的幅值，D_0j是第j颗脉冲星相对太阳系质心的距离，μ_s为太阳引力常数，c为光速，m为所使用脉冲星的个数；为避免在转换的过程中引入星历误差，以及减小脉冲星固有参数的不确定性对导航结果造成的误差，在接近探测器和轨道器两个航天器上同时装配X射线探测器，两个航天器上的X射线探测器每次锁定同一颗X射线脉冲星进行观测并同时接收脉冲信号，能够获得该脉冲星分别到两个探测器的脉冲到达时间，通过信息交互和相关算法，能够获得脉冲到达时间的差分信息DTOA，记为Δdt_i；简化的一阶DTOA测量方程如公式(5)所示，cΔdt_j＝n_j·(r_s‑r_o)＝n_j·Δr                         (5)其中Δr为探测器与轨道器间的相对位置向量；脉冲到达时间的差分信息DTOA与光速c的乘积反映了两个探测器相对位置矢量在所观测脉冲星方向矢量上的投影距离；通过差分方式，能够避免引入行星星历误差，且能有效降低脉冲星固有参数不确定性对导航性能的不利影响；X射线脉冲星到达时间差分信息DTOA测量模型表示为，y_X＝h_X(x)＝[Δdt₁ Δdt₂ … Δdt_m]^T+ν_X                     (6)式中，ν_X为测量误差，认为服从高斯分布；同时，通过探测器与装配有无线电收发机的火星轨道器的无线电测量及通信，能够得到多普勒测速信息ΔF，其中，ΔF为多普勒频移，M为频率转发率，f_T为发射频率，T_c＝t_s‑t_e为测量累计时间间隔，t_s为开始时刻，t_e为终止时刻，Δr＝|Δr|为探测器与轨道器的瞬时距离；若假设f_T为常值，累计测量时间T_c很短，多普勒测速信息ΔF用瞬时距离变化率表示，其中Δv为探测器与轨道器的相对速度向量；基于火星轨道器的多普勒速度测量模型表示为，y_R＝h_R(x)＝ΔF+ν_R                           (9)式中，v_R为测量误差，认为服从高斯分布；式(6)和式(9)共同构建了火星最终接近及环绕自主导航测量模型；步骤3：基于非线性滤波算法，解算探测器实时导航状态信息，进一步提高火星最终接近段自主导航的精度；根据火星最终接近及环绕动力学模型(2)及式(6)和式(9)，通过导航滤波计算能够对探测器和轨道器的状态进行估计；由于火星最终接近及环绕动力学模型(2)及式(9)均呈现非线性，故采用非线性滤波器提高导航滤波精度及收敛速度；最终输出探测器及轨道器状态信息，利用相对测量信息实现绝对导航，进一步提高火星最终接近段自主导航的精度。