一種動壓輔助的火星大氣進入段組合導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種火星大氣進入段組合導(dǎo)航方法，尤其涉及一種動壓輔助的火星大 氣進入段組合導(dǎo)航方法，屬于深空探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 未來火星采樣返回及載人火星探測任務(wù)要求探測器具有定點著陸的能力，定點著 陸要求在大氣進入段對探測器進行精確的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制，確保探測器能精確達到預(yù)開 傘點。在火星大氣進入段精確確定探測器的狀態(tài)信息是定點著陸探測的前提條件。
[0003] 以往成功著陸的火星探測任務(wù)中，火星大氣進入段都采用基于慣性測量單元 (InertialMeasurementUnit,IMU)輸出的航位遞推（DeadReckoning，DR)導(dǎo)航方法。由 于航位遞推導(dǎo)航方法不能對初始狀態(tài)偏差進行修正，以及難以消除敏感器系統(tǒng)偏差對狀態(tài) 估計精度的影響，導(dǎo)致狀態(tài)估計偏差隨時間發(fā)散，難以滿足未來定點著陸的導(dǎo)航精度需求。 而目前基于無線電和慣性測量單元輸出的組合導(dǎo)航方法中，由于無線電信號對外界環(huán)境敏 感，尤其在高超聲速段，探測器與火星大氣劇烈摩擦產(chǎn)生的氣動熱會導(dǎo)致周圍空氣電離。等 離子體密度超過無線電通信頻率對應(yīng)的臨界電子密度時會導(dǎo)致無線電通信中斷，產(chǎn)生通信 "黑障"。長時間的通信"黑障"會導(dǎo)致進入段狀態(tài)估計偏差隨時間發(fā)散。
[0004] 通過在線實時估計探測器周圍的等離子體密度，把火星大氣進入段導(dǎo)航分為通信 正常和通信"黑障"兩部分。等離子體密度低于無線電通信臨界電子密度時，無線電通信 正常，通過測量探測器與無線電信標(biāo)之間的相對距離，可對探測器的狀態(tài)進行估計；當(dāng)?shù)?離子密度高于無線電通信臨界電子密度時，無線電通信"黑障"，采用動壓輔助的（Dynamic PressureMeasurementAid,DA)導(dǎo)航方法，把駐點動壓測量值及慣性測量單元三軸加速度 信息視為外部測量，對探測器的狀態(tài)進行估計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對目前無線電和慣性測量單元輸出的組合導(dǎo)航方法可能存在無線電通信"黑 障"，及"黑障"段采用單一航位遞推導(dǎo)航方法探測器的狀態(tài)估計偏差存在發(fā)散難題。本發(fā) 明公開的一種動壓輔助的火星大氣進入段組合導(dǎo)航方法要解決的技術(shù)問題是，解決現(xiàn)有組 合導(dǎo)航方法中存在的上述技術(shù)難題，進而提高火星大氣進入段導(dǎo)航方法的可靠性及狀態(tài)估 計精度。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明公開的一種動壓輔助的火星大氣進入段組合導(dǎo)航方法，在航位遞推導(dǎo)航方 法的基礎(chǔ)上，通過建立的等離子模型實時估計探測器駐點的等離子體密度，根據(jù)在線實時 估計得到的等離子體密度自主切換導(dǎo)航方法。當(dāng)?shù)入x子體密度低于通信臨界電子密度時， 即無線電通信正常時，采用無線電和慣性測量單元輸出的組合導(dǎo)航方法，通過測量探測器 與無線電信標(biāo)之間的相對距離信息對探測器的狀態(tài)估計偏差進行修正；當(dāng)?shù)入x子密度大于 無線電通信臨界電子密度時，即通信"黑障"時，采用動壓輔助的導(dǎo)航方法，把慣性測量單元 輸出的三軸加速度和火星進入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)測量得到的動壓值視為外部測量，并結(jié)合非線 性濾波方法對探測器的狀態(tài)進行估計，進而提高星大氣進入段導(dǎo)航方法的可靠性及狀態(tài)估 計精度。
[0008] 本發(fā)明公開的一種動壓輔助的火星大氣進入段組合導(dǎo)航方法，可以有效抑制無線 電測量長時間中斷時采用單一航位遞推導(dǎo)航方法探測器的狀態(tài)估計偏差存在發(fā)散的難題， 保證了導(dǎo)航方法的可靠性及狀態(tài)估計精度。
[0009] 所述的非線性濾波方法采用擴展卡爾曼濾波（ExtendKalmanFilter,EKF)，無跡 卡爾曼濾波（UnscentedKalmanFilter,UKF)算法。
[0010] 本發(fā)明公開的一種動壓輔助的火星大氣進入段組合導(dǎo)航方法，包括如下步驟：
[0011] 步驟1 :建立等離子密度模型，實時估計探測器駐點的等離子體密度。
[0012] 在火星大氣進入高超聲速段，探測器與火星大氣劇烈摩擦產(chǎn)生的氣動熱會導(dǎo)致探 測器周圍的空氣電離產(chǎn)生等離子體，當(dāng)?shù)入x子體的密度超過探測器的無線電通信頻率對應(yīng) 的臨界電子密度時，會導(dǎo)致無線電通信中斷，產(chǎn)生通信"黑障"。因此，實時估計出探測器周 圍的等離子體密度是動壓輔助導(dǎo)航方法自主切換的前提條件。探測器周圍的等離子體密度 主要由探測器相對火星表面的速度以及火星大氣密度決定，通過式（1)獲得探測器駐點等 離子密度的估計值：
[0013] ne=CPaVb ⑴
[0014] 其中，a，b，c為模型系數(shù)，V為探測器相對于火星表面的速度，單位為km/s，P為 火星大氣密度，假設(shè)火星大氣密度P呈指數(shù)形式分布，由式（2)計算得到： _]
(2)
[0016] 其中，P。=2e-4kg/m3表示火星大氣參考密度，r。= 3,437,2(K)m表示參考高度， hs= 7500m火星大氣標(biāo)高。
[0017] 步驟2 :根據(jù)步驟1所述的等離子密度模型能夠?qū)崟r估計出探測器周圍的等離子 體密度。當(dāng)?shù)入x子密度低于探測器無線電通信頻率對應(yīng)的臨界電子密度時，無線電通信正 常，系統(tǒng)采用無線電和慣性測量輸出的組合導(dǎo)航方法，當(dāng)?shù)入x子體密度大于無線電通信臨 界電子密度時，無線電通信"黑障"，探測器采用動壓輔助的導(dǎo)航方法。所述的動壓測量輔助 的導(dǎo)航方法指把火星進入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)測量得到的駐點動壓值和慣性測量單元輸出的三 軸加速度值視為外部測量，通過非線性濾波算法對探測器的狀態(tài)進行估計。根據(jù)無線電導(dǎo) 航方法或動壓輔助組合導(dǎo)航方法分別建立對應(yīng)的無線電測量模型和動壓測量模型。
[0018] 當(dāng)?shù)入x子密度低于通信臨界電子密度時，無線電通信正常，通過測量探測器與無 線電信標(biāo)之間的相對距離對探測器的狀態(tài)偏差進行修正。
[0019] 所述的無線電信標(biāo)的數(shù)量及位置根據(jù)導(dǎo)航精度需要而定，無線電信標(biāo)越多，測量 信息越豐富，導(dǎo)航精度越高。假設(shè)探測器在進入過程中有三顆信標(biāo)在可見范圍內(nèi)：一顆軌道 器和兩顆火星表面信標(biāo)。無線電信標(biāo)的位置在探測器進入火星大氣前由地面深空網(wǎng)準(zhǔn)確測 定。探測器與第i顆信標(biāo)之間的距離由式（3)計算得到：
[0020] 0)
[0021] 其中，r，巧分別表示探測器和第i(i= 1，2, 3)顆信標(biāo)在火星慣性系下的位置矢 量，eRi表示無線電測量噪聲，服從高斯分布。
[0022] 當(dāng)?shù)入x子體密度大于無線電通信臨界電子密度時，無線電通信"黑障"，探測器通 過慣性測量輸出的三軸加速度值及火星進入大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)獲得飛行過程中探測器駐點動 壓值，通過非線性估計算法估計探測器的狀態(tài)。所述的動壓測量輔助的導(dǎo)航方法的測量模 型建立如式（4):
[0023]
(4)
[0024] 其中，eDA表示測量噪聲，服從高斯分布；a表示探測器三軸加速度值，由式（5)確 定：
[0025]
(、）
[0026] q"表示探測器駐點動壓值，由式（6)確定：
[0027]
(6)
[0028] 其中，<，e;，<表示速度坐標(biāo)系單位矢量在火星慣性系下的表示表示傾 側(cè)角，為系統(tǒng)控制變量，假設(shè)傾側(cè)角0為常值；D、L表示阻力加速和升力加速度，由式（7) 確定：
[0029]
(?)
[0030] 其中，CD，(^表示探測器的阻力系數(shù)和升力系數(shù)，S表示探測器參考面積，m表示探 測器質(zhì)量，參數(shù)CD，Q，S，m都視為常值。
[0031] 速度坐標(biāo)系三軸定義由式（8)和式（9)確定：
[0032] 輯
[0033] (9)
[0034] 其中，％el為探測器相對火星表面的速度，Q = [0, 0, 7. 095e-5]Trad/ S表示火星自轉(zhuǎn)角速度在火星慣性系下的表示。
[0