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基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法及系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:6173899閱讀:238來源:國知局
基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法及系統(tǒng),包括將地面定位結(jié)果輸入拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程,將無線電測軌數(shù)據(jù)輸入拓展后的地面無線電導(dǎo)航觀測方程,將獲取到的預(yù)測信息和狀態(tài)修正量輸入導(dǎo)航濾波器,將獲取到的深空導(dǎo)航模型不確定項的值,以及相應(yīng)位置矢量和速度矢量的值輸入拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程和地面無線電導(dǎo)航觀測方程,不斷將新的預(yù)測信息和狀態(tài)修正量輸入導(dǎo)航濾波器,以獲取不確定項的以及相應(yīng)的位置矢量和速度矢量的新的值。本發(fā)明能夠精確的估計深空探測器在深空飛行過程中導(dǎo)航模型中的不確定度,實現(xiàn)對深空探測器位置速度信息的高精度計算,從而提高深空探測器導(dǎo)航精度。
【專利說明】基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法及系統(tǒng)
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法及系統(tǒng)。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004] 相比常規(guī)地球軌道航天器,深空探測器具有長達數(shù)月至數(shù)年的星際軌道飛行階 段,該個階段的探測器動力模型中,各天體的引力項已能較為精確的建模,但與探測器相關(guān) 的非引力項模型還存在很大的不確定度。同時,深空探測器在長期的星際飛行段將利用姿 控推力器對飛輪進行卸載,理論上是力偶控制的姿控推力,在實際工程中無法實現(xiàn),并使探 測器產(chǎn)生一個平移速度增量,改變探測器的軌道。在漫長的星際飛行階段,要進行成百上千 次飛輪卸載工作,每次推力器工作對探測器軌道的改變將累積并放大,影響探測器導(dǎo)航預(yù) 報精度。對于導(dǎo)航模型中的該些非引力項不確定度的準(zhǔn)確估計,才能進一步提高探測器的 導(dǎo)航精度。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法及 系統(tǒng),能夠精確的估計深空探測器在深空飛行過程中導(dǎo)航模型中的不確定度,實現(xiàn)對深空 探測器位置速度信息的高精度計算,從而提高深空探測器導(dǎo)航精度。
[0007] 為解決上述問題,本發(fā)明提供一種基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方 法,包括: 步驟一:根據(jù)深空導(dǎo)航模型不確定項對深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程進行拓 展,其中,所述深空導(dǎo)航模型不確定包括深空探測器的受曬截面積A的不確定度為5 A、綜 合吸收系數(shù)k的不確定度5 k和姿態(tài)推力器工作產(chǎn)生的凈速度增量A V的不確定度5v; 步驟二:根據(jù)深空導(dǎo)航模型不確定項對地面無線電導(dǎo)航觀測方程進行拓展; 步驟H;根據(jù)拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程和地面無線電導(dǎo)航觀測方 程生成導(dǎo)航濾波器; 步驟四:將地面定位結(jié)果輸入所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程,W 獲取預(yù)測信息; 步驟五:將無線電測軌數(shù)據(jù)輸入所述拓展后的地面無線電導(dǎo)航觀測方程,W獲取狀態(tài) 修正量; 步驟六:將所述預(yù)測信息和狀態(tài)修正量輸入所述導(dǎo)航濾波器,W獲取深空導(dǎo)航模 型不確定項5 A、5 k和5 V的值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量 r,和速度矢量的值; 步驟走:將深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V的值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球 坐標(biāo)系下的位置矢量r,和速度矢量V,的值輸入所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動 力學(xué)方程,W獲取新的預(yù)測信息; 步驟八:將深空導(dǎo)航模型不確定項5A、5k和5v的值、相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo) 系下的位置矢量和速度矢量的值,W及無線電測軌數(shù)據(jù)輸入所述拓展后的地面無線 電導(dǎo)航觀測方程,W獲取新的狀態(tài)修正量; 步驟九:將新的預(yù)測信息和新的狀態(tài)修正量輸入所述導(dǎo)航濾波器,W獲取深空導(dǎo)航模 型不確定項5 A、5 k和5 V的新的值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量 和速度矢量的新的值; 步驟十:將深空導(dǎo)航模型不確定項5A、5k和5v的新的值,W及相應(yīng)的探測器在日也 天球坐標(biāo)系下的位置矢量fg和速度矢量V,的新的值輸入所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn) 移軌道動力學(xué)方程,W獲取新的預(yù)測信息; 步驟十一;將深空導(dǎo)航模型不確定項5A、5k和5 V的新的值、相應(yīng)的探測器在日也天 球坐標(biāo)系下的位置矢量和速度矢量、V的新的值,W及無線電測軌數(shù)據(jù)輸入所述拓展后 的地面無線電導(dǎo)航觀測方程,W獲取新的狀態(tài)修正量; 步驟十二;重復(fù)上述步驟八至步驟十一,直至獲取到的深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、 5 k和5 V的新的值為誤差最小值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量 和速度矢量V,的新的值為誤差最小值。
[0008] 進一步的,在上述方法中,步驟一包括: 將深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V增加加入所述深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力 學(xué)方程的狀態(tài)變量中,W對狀態(tài)變量進行擴維; 根據(jù)擴維后的狀態(tài)變量獲取狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K ; 根據(jù)所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K獲取所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程。
[0009] 進一步的,在上述方法中,所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K的形式如下:

【權(quán)利要求】
1. 一種基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法,其特征在于,包括: 步驟一:根據(jù)深空導(dǎo)航模型不確定項對深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程進行拓 展,其中,所述深空導(dǎo)航模型不確定包括深空探測器的受曬截面積A的不確定度為5 A、綜 合吸收系數(shù)k的不確定度5 k和姿態(tài)推力器工作產(chǎn)生的凈速度增量A V的不確定度5v; 步驟二:根據(jù)深空導(dǎo)航模型不確定項對地面無線電導(dǎo)航觀測方程進行拓展; 步驟H;根據(jù)拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程和地面無線電導(dǎo)航觀測方 程生成導(dǎo)航濾波器; 步驟四:將地面定位結(jié)果輸入所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程,W 獲取預(yù)測信息; 步驟五:將無線電測軌數(shù)據(jù)輸入所述拓展后的地面無線電導(dǎo)航觀測方程,W獲取狀態(tài) 修正量; 步驟六:將所述預(yù)測信息和狀態(tài)修正量輸入所述導(dǎo)航濾波器,W獲取深空導(dǎo)航模 型不確定項5 A、5 k和5 V的值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量 和速度矢量V,的值; 步驟走:將深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V的值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球 坐標(biāo)系下的位置矢量r,和速度矢量的值輸入所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動 力學(xué)方程,W獲取新的預(yù)測信息; 步驟八:將深空導(dǎo)航模型不確定項5A、5k和5v的值、相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo) 系下的位置矢量.,> 和速度矢量Vf的值,W及無線電測軌數(shù)據(jù)輸入所述拓展后的地面無線 電導(dǎo)航觀測方程,W獲取新的狀態(tài)修正量; 步驟九:將新的預(yù)測信息和新的狀態(tài)修正量輸入所述導(dǎo)航濾波器,W獲取深空導(dǎo)航模 型不確定項5 A、5 k和5 V的新的值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量 和速度矢量的新的值; 步驟十:將深空導(dǎo)航模型不確定項5A、5k和5v的新的值,W及相應(yīng)的探測器在日也 天球坐標(biāo)系下的位置矢量r,和速度矢量V,的新的值輸入所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn) 移軌道動力學(xué)方程,W獲取新的預(yù)測信息; 步驟十一;將深空導(dǎo)航模型不確定項5A、5k和5 V的新的值、相應(yīng)的探測器在日也天 球坐標(biāo)系下的位置矢量和速度矢量的新的值,W及無線電測軌數(shù)據(jù)輸入所述拓展后 的地面無線電導(dǎo)航觀測方程,W獲取新的狀態(tài)修正量; 步驟十二;重復(fù)上述步驟八至步驟十一,直至獲取到的深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、 5 k和5 V的新的值為誤差最小值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量 和速度矢量Vf的新的值為誤差最小值。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法,其特征在 于,步驟一包括: 將深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V增加加入所述深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力 學(xué)方程的狀態(tài)變量中,w對狀態(tài)變量進行擴維; 根據(jù)擴維后的狀態(tài)變量獲取狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K ; 根據(jù)所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K獲取所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法,其特征在 于,所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K的形式如下:
其中,Xi至Xg為所述深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程的狀態(tài)變量X的九個分量,
,X、J和J為位置矢量的H個分量,去、j和^為速度矢量Vp的H個分量。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法,其特征在 于,步驟二包括: 將深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V增加加入所述地面無線電導(dǎo)航觀測方程的狀 態(tài)變量中,W對狀態(tài)變量進行擴維; 根據(jù)擴維后的狀態(tài)變量獲取擴維觀測矩陣H ; 根據(jù)所述擴維觀測矩陣H獲取所述拓展后的地面無線電導(dǎo)航觀測方程。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法,其特征在

于,所述擴維觀測矩陣H的形式如下:
I 其中,Zi至Zg為所述無線電測軌數(shù)據(jù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法,其特征 在于,所述導(dǎo)航濾波器采用如下公式新巧=1巧,怎-1)牛巧巧巧腳-Ml化1),詞) ,其中表示步數(shù),i'腳表示某一步獲取到的深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、 5k和5 V的值W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量和速度 矢量y,的值,義化^1)表示預(yù)測信息,巧巧巧腳-詞1化4-9片}表示狀態(tài) 修 正量,
,/[I戰(zhàn)表示標(biāo)稱狀態(tài),了表示兩步之間的時差,
初始值為 1 識 0)二巧巧0)} + A(0),巧0,巧二 Var{Z(Xl)} =巧(0), 表示單位矩陣。 I
7. -種基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計系統(tǒng),其特征在于,包括: 第一拓展模塊,用于根據(jù)深空導(dǎo)航模型不確定項對深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方 程進行拓展,其中,所述深空導(dǎo)航模型不確定包括深空探測器的受曬截面積A的不確定度 為5A、綜合吸收系數(shù)k的不確定度5k和姿態(tài)推力器工作產(chǎn)生的凈速度增量Av的不確定 度5v ;


第二拓展模塊,根據(jù)深空導(dǎo)航模型不確定項對地面無線電導(dǎo)航觀測方程進行拓展; 導(dǎo)航濾波器生成模塊,用于根據(jù)拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程和地面 無線電導(dǎo)航觀測方程生成導(dǎo)航濾波器; 預(yù)測信息模塊,用于將地面定位結(jié)果輸入所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力 學(xué)方程,W獲取預(yù)測信息;及將從估計模塊獲取的深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V的 值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量r,和速度矢量Vf的值輸入所述拓 展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程,W獲取新的預(yù)測信息;并將從估計模塊獲取 的深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V的新的值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系 下的位置矢量和速度矢量Vp的新的值輸入所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力 學(xué)方程,W獲取新的預(yù)測信息; 狀態(tài)修正量模塊,用于將無線電測軌數(shù)據(jù)輸入所述拓展后的地面無線電導(dǎo)航觀測方 程,W獲取狀態(tài)修正量;及將從估計模塊獲取的深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5v的 值、相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量和速度矢量Vf的值,W及無線電測軌 數(shù)據(jù)輸入所述拓展后的地面無線電導(dǎo)航觀測方程,W獲取新的狀態(tài)修正量;并將從估計模 塊獲取的深空導(dǎo)航模型不確定項5A、5k和5 V的新的值、相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo) 系下的位置矢量和速度矢量V,的新的值,W及無線電測軌數(shù)據(jù)輸入所述拓展后的地面 無線電導(dǎo)航觀測方程,W獲取新的狀態(tài)修正量; 估計模塊,用于將從預(yù)測信息模塊獲取的所述預(yù)測信息和從狀態(tài)修正量模塊獲取的狀 態(tài)修正量輸入所述導(dǎo)航濾波器,W獲取深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V的值,W及相 應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量r,和速度矢量V,的值;及將從預(yù)測信息模塊 獲取的新的預(yù)測信息和從狀態(tài)修正量模塊獲取的新的狀態(tài)修正量輸入所述導(dǎo)航濾波器,W 獲取深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V的新的值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo) 系下的位置矢量和速度矢量V,的新的值,直至獲取到的深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k 和5 V的新的值為誤差最小值,W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量r,和速 度矢量V,的新的值為誤差最小值時結(jié)束。
8. 如權(quán)利要求7所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計系統(tǒng),其特征在 于,所述第一拓展模塊用于: 將深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V增加加入所述深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力 學(xué)方程的狀態(tài)變量中,W對狀態(tài)變量進行擴維; 根據(jù)擴維后的狀態(tài)變量獲取狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K ; 根據(jù)所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K獲取所述拓展后的深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程。
9. 如權(quán)利要求8所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計系統(tǒng),其特征在 于,所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣K的形式如下:
其中,Xi至Xg為所述深空探測器星際轉(zhuǎn)移軌道動力學(xué)方程的狀態(tài)變量X的九個分量, ,、 和為位置矢量的H個分量,、和為速度矢量的H個分量。 X y Z 表 y 呈 V?
10. 如權(quán)利要求7所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計系統(tǒng),其特征在 于,所述第二拓展模塊用于: 將深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、5 k和5 V增加加入所述地面無線電導(dǎo)航觀測方程的狀 態(tài)變量中,W對狀態(tài)變量進行擴維; 根據(jù)擴維后的狀態(tài)變量獲取擴維觀測矩陣H ; 根據(jù)所述擴維觀測矩陣H獲取所述拓展后的地面無線電導(dǎo)航觀測方程。
11. 如權(quán)利要求10所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計系統(tǒng),其特征在 于,所述擴維觀測矩陣H的形式如下:

其中,Zi至Zg為所述無線電測軌數(shù)據(jù)。
12.如權(quán)利要求7所述的基于軌道反演的導(dǎo)航模型不確定度精確估計方法,其特征在 t所述導(dǎo)航濾波器采用如下公式1(巧=1化.t-巧+巧巧口腳-坤1化k-化巧} ,其中,表示步數(shù),歲巧表示某一步獲取到的深空導(dǎo)航模型不確定項5 A、 5k和5 V的值W及相應(yīng)的探測器在日也天球坐標(biāo)系下的位置矢量fp和速度 矢量Vf的值,義化A-1)表示預(yù)測信息,巧巧巧(巧-刮1化化翊表示狀態(tài) 修 正量,名炸,*-1)二 1悚-9+/[1 巧-:I),lw]了+ 4若悚-巧]/[1巧-1)為_1]^ ,/皆戰(zhàn)表示標(biāo)稱狀態(tài),了表示兩步之間的時差, K(k')二 P(k,k - VjHT律)[H(k)P(、k,k - V)HT貨)+ R(玲]-1, 巧共皮-1) = ?巧,A - 1)F巧-1)丕r成皮-1) +呂(占-1), 初 始值為 1化0)=盈{巧巧}+^(0), 巧0,巧二Var{Z腳}二巧(0), 表示單位矩陣。 I

【文檔編號】G01C21/24GK104422464SQ201310377087
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】劉宇, 王衛(wèi)華, 尹海寧, 王欽, 劉珊珊, 譚天樂 申請人:上海新躍儀表廠
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