專利名稱：一種基于小行星交會(huì)的深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在深空探測(cè)器與小行星交會(huì)階段，基于小行星角度信息的自主天文導(dǎo)航方法，是一種非常適用于與小行星交會(huì)段深空探測(cè)器的自主導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
在太陽系中，大約140000顆以上的小行星聚集在火星和木星軌道之間，還有一部分小行星運(yùn)行于地球和火星軌道之間，成為近地小行星。小行星和彗星等小天體保留著太陽系早期的許多信息，是研究太陽系起源與演化的重要物證；通過在小行星上尋找水和有機(jī)物存在的證據(jù)，有助于理解地球和太陽系內(nèi)生命的起源與演化。近年來小行星探測(cè)越來越受到重視。由于深空探測(cè)一般采用多科學(xué)探測(cè)任務(wù)，往往在一次深空任務(wù)中，通過精確的軌道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在飛向目標(biāo)大行星的軌道轉(zhuǎn)移過程中，實(shí)現(xiàn)與小行星交會(huì)，完成大行星和小行星共同探測(cè)的目標(biāo)。由于這種深空探測(cè)任務(wù)對(duì)深空探測(cè)器的導(dǎo)航品質(zhì)要求高，若這一階段導(dǎo)航誤差大，無法及時(shí)通過軌道控制系統(tǒng)調(diào)整探測(cè)器的軌道，錯(cuò)過了軌道機(jī)動(dòng)的最佳時(shí)機(jī)，就有可能無法與小行星交會(huì)，實(shí)現(xiàn)共同探測(cè)的目標(biāo)，導(dǎo)致深空探測(cè)任務(wù)失敗。深空探測(cè)任務(wù)距離地球遙遠(yuǎn)，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， 而且地面天文望遠(yuǎn)鏡獲得的小行星的星歷并不準(zhǔn)確，誤差較大，傳統(tǒng)的基于地面無線電測(cè)控的導(dǎo)航方式是通過地面軌道預(yù)報(bào)，結(jié)合小行星的星歷給深空探測(cè)器發(fā)送軌道導(dǎo)航控制命令，但由于深空探測(cè)任務(wù)無線電通信延遲特性和巨大的星歷誤差，導(dǎo)致基于地面無線電測(cè)控的導(dǎo)航方式不能實(shí)時(shí)為探測(cè)器提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息，因此，實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)器的自主導(dǎo)航是深空探測(cè)的必然趨勢(shì)。與小行星交會(huì)階段的深空探測(cè)器，由于其距離太陽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。目前根據(jù)所觀測(cè)天體的不同，深空探測(cè)器在轉(zhuǎn)移軌道上的自主天文導(dǎo)航方法大致可分為三種基于太陽和大行星的自主天文導(dǎo)航方法、基于脈沖星的自主天文導(dǎo)航方法和基于小行星的自主天文導(dǎo)航方法。前兩種方法是利用太陽和大行星或者脈沖星進(jìn)行定位， 但是由于天體距離遠(yuǎn)，測(cè)量精度低，可觀測(cè)的脈沖星數(shù)目少，因此對(duì)于小行星交會(huì)段的深空探測(cè)器并不適用。基于小行星的自主天文導(dǎo)航方法是借助小行星的位置信息對(duì)探測(cè)器進(jìn)行定位。因此以火星以遠(yuǎn)(包括火星)的深空天體作為探測(cè)目標(biāo)的深空探測(cè)器，考慮到與小行星交會(huì)的特殊性，可以通過觀測(cè)多顆小行星獲取探測(cè)器的位置信息，消除小行星星歷誤差對(duì)探測(cè)器導(dǎo)航的影響，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器轉(zhuǎn)移軌道小行星交會(huì)段的高精度導(dǎo)航。傳統(tǒng)上利用小行星測(cè)量信息的深空探測(cè)器自主導(dǎo)航存在以下缺點(diǎn)一方面?zhèn)鹘y(tǒng)利用小行星測(cè)量信息的深空探測(cè)器是采用小行星圖像的像元像線這一測(cè)量信息，但是像元像線量測(cè)模型受探測(cè)器姿態(tài)估計(jì)精度的約束，姿態(tài)估計(jì)的精度直接影響了深空探測(cè)器的自主導(dǎo)航精度；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)上是利用批處理最小二乘等方法減小系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，但最小二乘估計(jì)方法的精度較低，無法為探測(cè)器導(dǎo)航提供高精度的導(dǎo)航信息。對(duì)于自主天文導(dǎo)航這種非線性系統(tǒng)而言，在有限維系統(tǒng)中無法從根本上獲得最優(yōu)的濾波算法，現(xiàn)有的解決系統(tǒng)非線性問題的方法都屬于次優(yōu)非線性估計(jì)。現(xiàn)有的次優(yōu)非線性估計(jì)方法如精度較高的非線性卡爾曼濾波方法等是建立在狀態(tài)模型和量測(cè)模型的誤差分布特性已知的且狀態(tài)量的先驗(yàn)信息完備的前提下，如果狀態(tài)和量測(cè)誤差分布特性不準(zhǔn)確，如量測(cè)信息以及未建模的加速的誤差等動(dòng)力學(xué)模型誤差不準(zhǔn)確，則將產(chǎn)生巨大的導(dǎo)航誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服基于太陽與大行星及其衛(wèi)星和脈沖星自主導(dǎo)航方法中太陽和行星及其衛(wèi)星到探測(cè)器的距離較遠(yuǎn)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)傳統(tǒng)上觀測(cè)小行星像元像線量測(cè)信息受探測(cè)器姿態(tài)約束這一不足，并解決系統(tǒng)無法為現(xiàn)有的次優(yōu)非線性估計(jì)方法如Unscented卡爾曼濾波提供準(zhǔn)確的狀態(tài)模型和量測(cè)模型的誤差分布特性和狀態(tài)量的先驗(yàn)信息，為深空探測(cè)器在與小行星交會(huì)階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)問題所采用的技術(shù)方案為建立高精度的深空探測(cè)器狀態(tài)模型，通過敏感器獲得小行星及其相應(yīng)圖像中的背景恒星像元像線信息，之后把像元像線信息轉(zhuǎn)換為方向矢量，建立小行星與背景恒星之間角度信息的量測(cè)模型，其中使用自適應(yīng) Unscented卡爾曼濾波估計(jì)模型誤差方差陣Q，并結(jié)合估計(jì)的模型誤差方差陣Q確定深空探測(cè)器的導(dǎo)航參數(shù)。具體包括以下步驟1.建立基于軌道動(dòng)力學(xué)的小行星交會(huì)段深空探測(cè)器狀態(tài)模型；在太陽系內(nèi)的深空探測(cè)任務(wù)小行星都處于地球與木星軌道之間的區(qū)域，因此需要考慮太陽中心引力、木星中心引力、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，可得深空探測(cè)器的狀態(tài)模型為
權(quán)利要求
1.一種基于小行星交會(huì)段的深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航方法，其特征在于首先根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)模型建立基于小行星交會(huì)段深空探測(cè)器的狀態(tài)模型，并根據(jù)小行星敏感器圖像中小行星與背景恒星之間的位置關(guān)系建立量測(cè)模型，利用小行星敏感器獲得第一小行星及其背景恒星、第二小行星及其背景恒星的像元像線信息，之后把像元像線轉(zhuǎn)換為角度信息量測(cè)量，結(jié)合自適應(yīng)Unscented卡爾曼濾波確定深空探測(cè)器的姿態(tài)、位置和速度；具體包括以下步驟①建立基于軌道動(dòng)力學(xué)的小行星交會(huì)段深空探測(cè)器狀態(tài)模型；考慮太陽中心引力、火星中心引力、地球中心引力和木星中心引力對(duì)探測(cè)器的作用，選取日心黃道慣性坐標(biāo)系，可得小行星交會(huì)段深空探測(cè)器的狀態(tài)模型
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小行星交會(huì)段的深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航方法，其特征在于所述的步驟⑤中自適應(yīng)Unscented卡爾曼濾波方法采用自適應(yīng)估計(jì)狀態(tài)模型誤差方差算法，具體步驟為①初始化窗口系數(shù)Y②自適應(yīng)調(diào)節(jié)窗口大小Y 性能指標(biāo)函數(shù)為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于小行星交會(huì)的深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航方法。根據(jù)圓形限制性軌道動(dòng)力學(xué)模型建立深空探測(cè)器的狀態(tài)模型；利用敏感器獲得小行星以及背景恒星的像元像線信息，把所獲得的像元像線信息轉(zhuǎn)換為小行星以及背景恒星的角度信息，建立小行星的角度信息量測(cè)模型；結(jié)合自適應(yīng)Unscented卡爾曼濾波估計(jì)深空探測(cè)器的位置和速度。本發(fā)明具有估計(jì)精度高，非常適用于與小行星交會(huì)期間的自主導(dǎo)航。本發(fā)明屬于航天導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，不僅可以為深空探測(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)G01C21/24GK102168980SQ20111000663
公開日2011年8月31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)