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