專利名稱：一種火星探測(cè)器巡航段自主天文導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在火星探測(cè)器處于巡航段時(shí)，基于太陽(yáng)、地球及火星角度信息的自主天文導(dǎo)航方法，是一種非常適用于火星探測(cè)器巡航段的自主導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
火星是距離地球最近的行星，對(duì)火星進(jìn)行探測(cè)有利于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球、火星和太陽(yáng)系的形成和演化過(guò)程。隨著我國(guó)深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的深空探測(cè)能力不斷提升，我國(guó)已經(jīng)具備探測(cè)月球以遠(yuǎn)天體的深空探測(cè)能力。對(duì)于火星探測(cè)任務(wù)，傳統(tǒng)的基于地面無(wú)線電測(cè)控的導(dǎo)航方式存在如下缺點(diǎn)由于探測(cè)器距離地球遙遠(yuǎn)，導(dǎo)致通訊延遲大； 地面測(cè)控設(shè)施復(fù)雜龐大，運(yùn)行費(fèi)用高；不適于同時(shí)對(duì)多個(gè)探測(cè)器進(jìn)行導(dǎo)航，因此，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的自主導(dǎo)航是火星探測(cè)的必然趨勢(shì)。巡航段的火星探測(cè)器，由于其距離太陽(yáng)和各行星的距離都較遠(yuǎn)，用于近地逃逸軌道或行星捕獲、著陸等的自主導(dǎo)航方法，如基于IMU、測(cè)距測(cè)速敏感器、地面圖像等的自主導(dǎo)航方法都無(wú)法使用，此時(shí)天文導(dǎo)航是唯一有效的自主導(dǎo)航手段。目前可以用于火星探測(cè)器巡航段的自主導(dǎo)航方式主要有基于小行星的自主天文導(dǎo)航方法、基于脈沖星的自主天文導(dǎo)航方法和基于太陽(yáng)和大行星的自主天文導(dǎo)航方法。基于小行星的自主天文導(dǎo)航方法是利用地火軌道之間的小行星位置信息來(lái)確定探測(cè)器的位置，但由于火星探測(cè)巡航階段可以觀測(cè)的小行星有限，且對(duì)探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)要求較高，因此這種方法無(wú)法保證全轉(zhuǎn)移軌道的高精度導(dǎo)航。基于脈沖星的自主天文導(dǎo)航方法是利用脈沖接收機(jī)接收宇宙空間中X射線脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間，但由于目前脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度較低，且可用于導(dǎo)航的X射線脈沖星數(shù)目較少，因此這種方法尚未實(shí)際應(yīng)用?；谔?yáng)和大行星的自主天文導(dǎo)航方法是借助太陽(yáng)和大行星的位置信息來(lái)確定探測(cè)器的位置，火星探測(cè)器在巡航段運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)、地球和火星是整個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程中最易于觀測(cè)到的天體，可以提供精確的圖像信息，已有的巡航段自主天文導(dǎo)航方法是以太陽(yáng)的視線矢量和徑向速度為量測(cè)量，由于現(xiàn)有方法是利用了太陽(yáng)視線方向，所以系統(tǒng)可觀測(cè)度不高，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)得到可靠、準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息，而且由于使用的太陽(yáng)敏感器在成像過(guò)程受探測(cè)器姿態(tài)約束，而導(dǎo)航濾波中需要探測(cè)器估計(jì)姿態(tài)確定量測(cè)預(yù)測(cè)值，姿態(tài)估計(jì)信息與真實(shí)姿態(tài)之間存在誤差，因此探測(cè)器的姿態(tài)估計(jì)誤差會(huì)造成較大的量測(cè)預(yù)測(cè)誤差，最終影響探測(cè)器的定位精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服基于小行星和脈沖星自主導(dǎo)航方法中導(dǎo)航小行星或?qū)Ш矫}沖星數(shù)量少、精度低、對(duì)探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)要求高等缺點(diǎn)，彌補(bǔ)現(xiàn)有方法觀測(cè)太陽(yáng)視線方向和徑向速度受探測(cè)器姿態(tài)約束這一不足，為火星探測(cè)器巡航段提供一種高精度的自主天文導(dǎo)航方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為建立高精度的火星探測(cè)器的狀態(tài)模型，通過(guò)太陽(yáng)敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器獲得太陽(yáng)、地球、火星及恒星的像元像線信息，之后把像元像線信息轉(zhuǎn)換為方向矢量，建立太陽(yáng)、地球和火星與恒星之間角度信息的量測(cè)模型，并使用Unscented遞推最小方差估計(jì)方法獲得火星探測(cè)器的位置和速度參數(shù)，使用q-method方法獲得火星探測(cè)器的姿態(tài)參數(shù)，最終為處于巡航段的火星探測(cè)器提供位置、速度和姿態(tài)導(dǎo)航信息。具體包括以下步驟1.建立基于圓形限制性四體模型的火星探測(cè)器巡航段導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程；采用圓形限制性四體模型，考慮太陽(yáng)中心引力、火星中心引力和地球中心引力對(duì)
探測(cè)器的作用，選取日心黃道慣性坐標(biāo)系，可得火星探測(cè)器的狀態(tài)模型為 y=Vy
權(quán)利要求
1. 一種火星探測(cè)器巡航段的自主天文導(dǎo)航方法，其特征在于首先根據(jù)圓形限制性四體模型建立火星探測(cè)器的狀態(tài)模型，再利用敏感器獲得太陽(yáng)、地球、火星和恒星的像元像線信息，之后把像元像線轉(zhuǎn)換為角度信息，建立太陽(yáng)、地球及火星與恒星之間角度信息的量測(cè)模型，其中使用q-method姿態(tài)估計(jì)方法聯(lián)合Unscented遞推最小方差估計(jì)確定火星探測(cè)器的姿態(tài)、位置和速度；具體包括以下步驟①建立基于圓形限制性四體模型的火星探測(cè)器巡航段導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程；考慮太陽(yáng)中心引力、火星中心引力和地球中心引力對(duì)探測(cè)器的作用，選取日心黃道慣性坐標(biāo)系，可得火星探測(cè)器的狀態(tài)模型
全文摘要
本發(fā)明涉及一種火星探測(cè)器巡航段自主天文導(dǎo)航方法。根據(jù)圓形限制性四體軌道動(dòng)力學(xué)模型建立火星探測(cè)器的狀態(tài)模型；利用太陽(yáng)敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器獲得太陽(yáng)、地球、火星以及恒星的像元像線信息，把所獲得的像元像線信息轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)、地球、火星的角度信息，建立太陽(yáng)、地球和火星的角度信息量測(cè)模型；并使用q-method方法估計(jì)探測(cè)器姿態(tài)信息，結(jié)合Unscented遞推最小方差估計(jì)估計(jì)火星探測(cè)器的位置和速度。本發(fā)明估計(jì)精度高，非常適用于火星探測(cè)器巡航段自主導(dǎo)航。本發(fā)明屬于航天導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，不僅可以為火星探測(cè)器提供高精度導(dǎo)航參數(shù)，而且可為其自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
文檔編號(hào)G01C21/02GK102175241SQ20111000664
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者吳偉仁, 寧曉琳, 房建成, 白鑫貝, 馬辛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)