专利名称：一种火星探测器巡航段自主天文导航方法
技术领域：
本发明涉及在火星探测器处于巡航段时，基于太阳、地球及火星角度信息的自主天文导航方法，是一种非常适用于火星探测器巡航段的自主导航方法。
背景技术：
火星是距离地球最近的行星，对火星进行探测有利于人类进一步认识地球、火星和太阳系的形成和演化过程。随着我国深空探测技术的不断发展，我国的深空探测能力不断提升，我国已经具备探测月球以远天体的深空探测能力。对于火星探测任务，传统的基于地面无线电测控的导航方式存在如下缺点由于探测器距离地球遥远，导致通讯延迟大； 地面测控设施复杂庞大，运行费用高；不适于同时对多个探测器进行导航，因此，实现探测器的自主导航是火星探测的必然趋势。巡航段的火星探测器，由于其距离太阳和各行星的距离都较远，用于近地逃逸轨道或行星捕获、着陆等的自主导航方法，如基于IMU、测距测速敏感器、地面图像等的自主导航方法都无法使用，此时天文导航是唯一有效的自主导航手段。目前可以用于火星探测器巡航段的自主导航方式主要有基于小行星的自主天文导航方法、基于脉冲星的自主天文导航方法和基于太阳和大行星的自主天文导航方法。基于小行星的自主天文导航方法是利用地火轨道之间的小行星位置信息来确定探测器的位置，但由于火星探测巡航阶段可以观测的小行星有限，且对探测器的轨道设计要求较高，因此这种方法无法保证全转移轨道的高精度导航。基于脉冲星的自主天文导航方法是利用脉冲接收机接收宇宙空间中X射线脉冲星的脉冲到达时间，但由于目前脉冲到达时间测量精度较低，且可用于导航的X射线脉冲星数目较少，因此这种方法尚未实际应用。基于太阳和大行星的自主天文导航方法是借助太阳和大行星的位置信息来确定探测器的位置，火星探测器在巡航段运行时，太阳、地球和火星是整个转移过程中最易于观测到的天体，可以提供精确的图像信息，已有的巡航段自主天文导航方法是以太阳的视线矢量和径向速度为量测量，由于现有方法是利用了太阳视线方向，所以系统可观测度不高，无法在短时间内得到可靠、准确的导航信息，而且由于使用的太阳敏感器在成像过程受探测器姿态约束，而导航滤波中需要探测器估计姿态确定量测预测值，姿态估计信息与真实姿态之间存在误差，因此探测器的姿态估计误差会造成较大的量测预测误差，最终影响探测器的定位精度。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服基于小行星和脉冲星自主导航方法中导航小行星或导航脉冲星数量少、精度低、对探测器轨道设计要求高等缺点，弥补现有方法观测太阳视线方向和径向速度受探测器姿态约束这一不足，为火星探测器巡航段提供一种高精度的自主天文导航方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案为建立高精度的火星探测器的状态模型，通过太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器获得太阳、地球、火星及恒星的像元像线信息，之后把像元像线信息转换为方向矢量，建立太阳、地球和火星与恒星之间角度信息的量测模型，并使用Unscented递推最小方差估计方法获得火星探测器的位置和速度参数，使用q-method方法获得火星探测器的姿态参数，最终为处于巡航段的火星探测器提供位置、速度和姿态导航信息。具体包括以下步骤1.建立基于圆形限制性四体模型的火星探测器巡航段导航系统状态方程；采用圆形限制性四体模型，考虑太阳中心引力、火星中心引力和地球中心引力对
探测器的作用，选取日心黄道惯性坐标系，可得火星探测器的状态模型为 y=Vy
权利要求
1. 一种火星探测器巡航段的自主天文导航方法，其特征在于首先根据圆形限制性四体模型建立火星探测器的状态模型，再利用敏感器获得太阳、地球、火星和恒星的像元像线信息，之后把像元像线转换为角度信息，建立太阳、地球及火星与恒星之间角度信息的量测模型，其中使用q-method姿态估计方法联合Unscented递推最小方差估计确定火星探测器的姿态、位置和速度；具体包括以下步骤①建立基于圆形限制性四体模型的火星探测器巡航段导航系统状态方程；考虑太阳中心引力、火星中心引力和地球中心引力对探测器的作用，选取日心黄道惯性坐标系，可得火星探测器的状态模型
全文摘要
本发明涉及一种火星探测器巡航段自主天文导航方法。根据圆形限制性四体轨道动力学模型建立火星探测器的状态模型；利用太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器获得太阳、地球、火星以及恒星的像元像线信息，把所获得的像元像线信息转换为太阳、地球、火星的角度信息，建立太阳、地球和火星的角度信息量测模型；并使用q-method方法估计探测器姿态信息，结合Unscented递推最小方差估计估计火星探测器的位置和速度。本发明估计精度高，非常适用于火星探测器巡航段自主导航。本发明属于航天导航技术领域，不仅可以为火星探测器提供高精度导航参数，而且可为其自主导航系统设计提供参考。
文档编号G01C21/02GK102175241SQ20111000664
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者吴伟仁, 宁晓琳, 房建成, 白鑫贝, 马辛 申请人:北京航空航天大学