專利名稱：一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標(biāo)的環(huán)繞段導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標(biāo)的環(huán)繞段導(dǎo)航方法，屬于深空探測(cè)自主導(dǎo)航領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
深空天體環(huán)繞探測(cè)是對(duì)目標(biāo)天體長(zhǎng)期、抵近和全面觀測(cè)的重要手段。受到攜帶推進(jìn)劑總量的限制，深空天體探測(cè)器經(jīng)過(guò)行星際飛行抵達(dá)目標(biāo)天體后，并不能直接制動(dòng)和進(jìn)入環(huán)繞目標(biāo)天體的圓形軌道，而是運(yùn)行在大橢圓軌道上。由于大橢圓軌道受天體攝動(dòng)的影響較為復(fù)雜，因此探測(cè)器的軌道確定(導(dǎo)航)成為深空環(huán)繞探測(cè)的一項(xiàng)重要技術(shù)。目前為止，國(guó)外深空大天體環(huán)繞探測(cè)器的軌道確定還主要依靠地面測(cè)控網(wǎng)或深空網(wǎng)進(jìn)行。這種方法的成本和代價(jià)很大，對(duì)測(cè)控站的全球布局、測(cè)量精度等提出了很高的要求，實(shí)時(shí)性也不易保證。而自主導(dǎo)航則是彌補(bǔ)這些缺陷的一種良好的技術(shù)手段。但是深空探測(cè)的自主導(dǎo)航目前還只在轉(zhuǎn)移段或者著陸段進(jìn)行了驗(yàn)證。但在方法層面上，國(guó)內(nèi)外研究人員還是對(duì)深空環(huán)繞段的自主導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。包括依靠目標(biāo)天體視半徑和視線方向測(cè)量的方法，以及以天體表面特征地形為路標(biāo)的方法等。但這些方法都存在各種缺陷，難以工程應(yīng)用。例如，基于目標(biāo)天體視半徑和視線方向測(cè)量的方法依賴于大視場(chǎng)的光學(xué)敏感器，它只能應(yīng)用在軌道高度較高的圓形環(huán)繞軌道上，而且容易受到目標(biāo)天體光照條件的影響。而基于天體表面路標(biāo)點(diǎn)的方法適用于距離目標(biāo)天體很近的環(huán)繞軌道弧段，但它依賴于大量、詳細(xì)的目標(biāo)天體局部地形數(shù)據(jù)或影像資料。而這恰恰是深空目標(biāo)抵近探測(cè)前所缺乏的。除此以外，由于目標(biāo)天體相對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，再加上探測(cè)器飛行軌道的限制和目標(biāo)天體天氣條件的影響，可供選擇的天體表面路標(biāo)點(diǎn)會(huì)進(jìn)一步減少，這大大增加了該方法實(shí)現(xiàn)的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)深空環(huán)繞探測(cè)器往往運(yùn)行于大橢圓軌道的特點(diǎn)，提供了一種將目標(biāo)天體的天然衛(wèi)星和它表面的特征地形作為路標(biāo)配合使用的新方法。在軌道高度較高時(shí)以天然衛(wèi)星和目標(biāo)天體表面大型和明顯的地貌作為路標(biāo)，在軌道高度較低時(shí)以天體局部地形作為路標(biāo)。擴(kuò)大了路標(biāo)的選擇范圍，提高了信息量，增加了可觀測(cè)弧段，提高了自主導(dǎo)航的適應(yīng)能力和精度。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標(biāo)的深空探測(cè)環(huán)繞段自主導(dǎo)航方法，探測(cè)器運(yùn)行于環(huán)繞目標(biāo)深空天體的大橢圓軌道，探測(cè)器上裝備有IMU(包含陀螺和加速度計(jì))、星敏感器和光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)。實(shí)現(xiàn)步驟如下(I)陀螺和星敏的慣性姿態(tài)估計(jì)利用前一個(gè)采樣周期內(nèi)陀螺測(cè)量的角速度對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的探測(cè)器慣性姿態(tài)進(jìn)行外推；然后利用星敏獲得的光軸慣性指向測(cè)量，使用卡爾曼濾波對(duì)陀螺外推慣性姿態(tài)的誤差進(jìn)行估計(jì)；最后用誤差的估計(jì)值修正陀螺預(yù)估的慣性姿態(tài)，獲得最終的慣性姿態(tài)估計(jì)；
(2)利用加速度計(jì)測(cè)量的位置、速度外推在陀螺測(cè)量的同時(shí)，使用加速度計(jì)獲得探測(cè)器非引力加速度的測(cè)量值，利用已獲得的慣性姿態(tài)估計(jì)值將它轉(zhuǎn)化到慣性坐標(biāo)系中；然后根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)探測(cè)器的位置和速度進(jìn)行外推； (3)路標(biāo)點(diǎn)信息的獲取使用探測(cè)器上安裝的光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)按照一定拍攝序列對(duì)可能的路標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行拍照，路標(biāo)點(diǎn)的選擇包含了天體表面的已知位置的特征地貌和天體的天然衛(wèi)星；路標(biāo)點(diǎn)根據(jù)軌道高度、光照條件事先選擇，并列入觀測(cè)序列，一般來(lái)說(shuō)軌道較高時(shí)選擇天然衛(wèi)星和目標(biāo)天體大型特征地貌，軌道較低時(shí)選擇天體局部地形；最后，從導(dǎo)航圖像上提取出路標(biāo)點(diǎn)的像素坐標(biāo)，傳遞給導(dǎo)航濾波器；(4)基于路標(biāo)的探測(cè)器位置、速度的估計(jì)基于步驟(2)中外推的探測(cè)器位置、速度對(duì)路標(biāo)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)；將實(shí)際獲得的路標(biāo)點(diǎn)像素坐標(biāo)與預(yù)報(bào)值進(jìn)行比對(duì)，構(gòu)成測(cè)量新息；然后使用擴(kuò)展卡爾曼濾波對(duì)預(yù)測(cè)的探測(cè)器位置、速度進(jìn)行修正，得到最終的探測(cè)器位置、速度估計(jì)值。(5)對(duì)每一個(gè)控制周期重復(fù)(I) (4)的步驟，完成導(dǎo)航解算。所述方法同時(shí)將天體表面特征和天然衛(wèi)星均作為導(dǎo)航路標(biāo)，在軌道高度高于天然衛(wèi)星軌道時(shí)以天然衛(wèi)星和天體表面大型地貌為路標(biāo)，在軌道低于天然衛(wèi)星軌道時(shí)以天體局部地形為路標(biāo)，導(dǎo)航濾波解算過(guò)程中路標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量可變。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明將深空天體的天然衛(wèi)星也擴(kuò)展為自主導(dǎo)航的路標(biāo)點(diǎn)，從而增加了可供選擇的路標(biāo)點(diǎn)的種類，降低了對(duì)目標(biāo)天體表面局部特征地形先驗(yàn)知識(shí)的需求，減少了地面選擇和確定路標(biāo)點(diǎn)的困難。而且針對(duì)深空環(huán)繞段大橢圓軌道上探測(cè)器距目標(biāo)天體高度變化很大的特點(diǎn)，在環(huán)繞軌道的近點(diǎn)附近主要使用天體特征地形為路標(biāo)，在環(huán)繞段的遠(yuǎn)點(diǎn)附近將天然衛(wèi)星與天體表面明顯的地貌結(jié)合使用，提高了導(dǎo)航方法對(duì)深空大橢圓環(huán)繞軌道的適應(yīng)能力。


圖1是深空環(huán)繞段基于路標(biāo)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)框圖；圖2是以火星為代表的深空環(huán)繞段以天體表面特征和天然衛(wèi)星作為路標(biāo)的導(dǎo)航方法原理；圖3是深空環(huán)繞段不同時(shí)間點(diǎn)所選擇的路標(biāo)類型；圖4是深空環(huán)繞段導(dǎo)航位置誤差變化曲線；圖5是深空環(huán)繞段導(dǎo)航速度誤差變化曲線。
具體實(shí)施例方式探測(cè)器運(yùn)行于環(huán)繞目標(biāo)深空天體的大橢圓軌道，探測(cè)器上裝備有MU(包含陀螺和加速度計(jì))、星敏感器和光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)。如圖1所示，本發(fā)明具體計(jì)算過(guò)程如下第一步，進(jìn)行陀螺+星敏的探測(cè)器姿態(tài)估計(jì)(I)陀螺測(cè)量
設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為tk，上一次采樣時(shí)刻為V1，那么陀螺可以獲得在[tk+tj時(shí)間段內(nèi)的探測(cè)器角度增量Agb,上標(biāo)b表示探測(cè)器的本體坐標(biāo)系(Ob-XbYbZb),該坐標(biāo)系固聯(lián)在探測(cè)器上，原點(diǎn)與探測(cè)器質(zhì)心重合，三個(gè)軸平行于探測(cè)器慣量主軸。角度增量除以采樣時(shí)間間隔就可以獲得該段時(shí)間內(nèi)的探測(cè)器平均角速度的測(cè)量值。
權(quán)利要求
1.一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標(biāo)的環(huán)繞段導(dǎo)航方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下 (1)陀螺和星敏感器的慣性姿態(tài)估計(jì) 利用前一個(gè)采樣周期內(nèi)陀螺測(cè)量的角速度對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的探測(cè)器慣性姿態(tài)進(jìn)行外推；然后利用星敏感器獲得的光軸慣性指向測(cè)量，使用卡爾曼濾波對(duì)陀螺外推慣性姿態(tài)的誤差進(jìn)行估計(jì)；最后用誤差的估計(jì)值修正陀螺預(yù)估的慣性姿態(tài)，獲得最終的慣性姿態(tài)估計(jì)； (2)利用加速度計(jì)測(cè)量的位置、速度外推 在陀螺測(cè)量的同時(shí)，使用加速度計(jì)獲得探測(cè)器非引力加速度的測(cè)量值，利用已獲得的慣性姿態(tài)估計(jì)值將它轉(zhuǎn)化到慣性坐標(biāo)系中；然后根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)探測(cè)器的位置和速度進(jìn)行外推； (3)路標(biāo)點(diǎn)信息的獲取 使用探測(cè)器上安裝的光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)按照一定拍攝序列對(duì)可能的路標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行拍照，路標(biāo)點(diǎn)的選擇包含了天體表面的已知位置的特征地貌和天體的天然衛(wèi)星；路標(biāo)點(diǎn)根據(jù)軌道高度、光照條件事先選擇，并列入觀測(cè)序列；最后，從導(dǎo)航圖像上提取出路標(biāo)點(diǎn)的像素坐標(biāo)，傳遞給導(dǎo)航濾波器； (4)基于路標(biāo)的探測(cè)器位置、速度的估計(jì) 基于步驟(2)中外推的探測(cè)器位置、速度對(duì)路標(biāo)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)；將實(shí)際獲得的路標(biāo)點(diǎn)像素坐標(biāo)與預(yù)報(bào)值進(jìn)行比對(duì)，構(gòu)成測(cè)量新息；然后使用擴(kuò)展卡爾曼濾波對(duì)預(yù)測(cè)的探測(cè)器位置、速度進(jìn)行修正，得到最終的探測(cè)器位置、速度估計(jì)值； (5)對(duì)每一個(gè)控制周期重復(fù)(I) (4)的步驟，完成導(dǎo)航解算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標(biāo)的環(huán)繞段導(dǎo)航方法，其特征在于所述方法同時(shí)將天體表面特征和天然衛(wèi)星均作為導(dǎo)航路標(biāo)，在軌道高度高于天然衛(wèi)星軌道時(shí)以天然衛(wèi)星和天體表面大型地貌為路標(biāo)，在軌道低于天然衛(wèi)星軌道時(shí)以天體局部地形為路標(biāo)，導(dǎo)航濾波解算過(guò)程中路標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量可變。
全文摘要
一種基于天體表面特征和天然衛(wèi)星路標(biāo)的環(huán)繞段導(dǎo)航方法，在進(jìn)行導(dǎo)航過(guò)程中，首先由陀螺和星敏感器進(jìn)行慣性姿態(tài)估計(jì)；根據(jù)加速度計(jì)測(cè)量，結(jié)合慣性姿態(tài)估計(jì)值，利用動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行探測(cè)器位置、速度外推；接下來(lái)，以一定間隔，利用導(dǎo)航相機(jī)按照序列對(duì)若干路標(biāo)進(jìn)行拍攝，識(shí)別出路標(biāo)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，路標(biāo)點(diǎn)的可選范圍包括深空天體表面的已知地貌和天體的天然衛(wèi)星，觀測(cè)序列根據(jù)不同軌道高度和光照條件制定；以路標(biāo)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)作為測(cè)量，以外推的探測(cè)器位置、速度為基礎(chǔ)，使用擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)并修正探測(cè)器位置、速度；重復(fù)上述步驟，完成導(dǎo)航解算。本發(fā)明擴(kuò)大了環(huán)繞段光學(xué)導(dǎo)航路標(biāo)點(diǎn)選擇的范圍，提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的靈活性和精度。
文檔編號(hào)G01C21/24GK103017773SQ20121051645
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者李驥, 王大軼, 黃翔宇, 李茂登, 褚永輝 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所