专利名称：一种基于星历修正的深空探测器天文/无线电组合导航方法
技术领域：
本发明涉及在深空探测器处于捕获段时，基于目标天体图像和无线电信号时间延迟和频移信息的组合导航方法，是一种非常适用于深空探测器捕获段的组合导航方法。
背景技术：
深空探测技术作为一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要特征与标志，已引起世界各国的极大关注。新一轮深空探测的争夺战已经拉开了序幕。21世纪初，各航天大国纷纷将目光聚焦至距离地球38万公里以外的深空宇宙。美国、欧空局、俄罗斯、日本以及印度在内的世界主要航天集团都提出了未来的深空探测计划，要对各大行星及其卫星进行载人或基于机器人的无人探测。随着我国运载火箭和其他深空探测技术的发展和经济实力的提高，我国已具备探测火星甚至更远太阳系行星的能力。深空探测器飞行过程主要包括地球逃逸、日心转移、目标捕获、环绕、着陆、巡视探测等过程。其中捕获段是指从深空探测器进入目标影响球开始到点火制动的全过程，处于该阶段的深空探测器飞行速度快，飞行弧段短，控制精度要求高，且机会唯一。深空探测器减速制动的入轨点距离目标行星表面非常近(近地点)，被捕获是整个深空探测任务的一个关键时间节点，捕获阶段相对目标天体的相对导航精度和相对于太阳或者地球的绝对导航精度对后续探测任务有直接影响。然而深空探测器在捕获段航行速度快、空间电离环境未知、大气环境复杂，这些因素都对深空探测器的入轨精度有很大的影响，也制约着深空探测器捕获后绕飞、着陆等阶段的导航精度，当入轨精度不能达到指标要求时，甚至无法完成科学探测任务，导致整个任务的失败。目标天体星历数据是影响深空探测器捕获段导航性能的主要因素之一。目标天体星历数据是描述目标天体位置、速度等特征的一类天体数据库，由长期天文观测拟合而成的。若一段时间没有天文观测信息进行修正，目标天体星历数据误差会随时间的递推而增力口。太阳系内行星(除地球外)目前的星历误差约为200m 100km。现有的深空探测导航方式主要包括地面无线电导航和天文导航两种导航方式，其中无线电导航的主要观测量为探测器相对于地面站的距离与距离变化率等，这种导航方式可以测量相对于太阳的导航信息；而天文导航是测量目标天体及其背景恒星图像信息，从而从图像中获得相对于目标天体(如火星)的导航信息。由于目标天体星历误差大、天文敏感器测量精度有限等因素的影响，这两种方法仍存在以下不足无线电导航方法仅能获取相对太阳的导航信息，因此由该方法获得的相对目标天体导航信息受到目标天体星历误差的影响大，相对目标天体导航精度低；天文导航方法由于受到天文导航敏感器精度有限这一因素的影响，其获得的相对目标天体导航信息精度有限，且受到目标天体星历误差影响，由该方法获得的相对太阳导航精度低。因此如何有效利用无线电导航和天文导航所提供的两种测量信息、减小星历误差对导航性能的影响，是捕获段高精度导航的一个关键问题。传统的天文/无线电组合导航方法有两种一种方法为将无线电导航的结果转换至目标天体为中心的惯性坐标系中后，将天文导航子系统和无线电子系统的导航结果进行信息融合。这种方法计算简单，易于实现，但由于在信息融合过程中没有考虑星历误差，因此无法克服目标天体星历误差对状态模型精度的影响，限制了导航精度的提高，导航精度较低。另一种方法为将无线电导航信息与天文导航信息组合进行几何解析，求解目标天体星历及星历误差，此后将无线电导航导航结果转换至目标天体为中心的惯性坐标系中，获得较高精度的导航信息。但是这种方法由于没有实时修正状态模型的模型误差，仍然无法消除目标天体星历误差对探测器状态模型精度的影响，导航精度仍较低。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服星历误差对无线电导航信息相对目标天体精度的影响，弥补现有方法难以消除目标天体星历误差对探测器状态模型的影响这一不足，合理有效利用无线电导航和天文导航所提供的导航信息，为深空探测器捕获段提供一种高精度的组合导航方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案为建立目标天体为中心惯性坐标系中基于太阳和八大行星引力的深空探测器状态模型，通过光学导航敏感器获得目标天体及其卫星与恒星之间角度信息量测量，建立天文导航系统的量测模型，并使用Unscented卡尔曼滤波方法获得深空探测器相对目标天体的位置和速度参数；建立日心惯性坐标系中基于太阳和八大行星引力的深空探测器状态模型，通过无线电接收机获得探测器相对太阳的位置、速度量测量，建立无线电导航系统的量测模型，并使用Unscented卡尔曼滤波方法获得深空探测器相对日心的位置和速度参数；根据目标天体星历误差特性，建立目标天体星历误差状态模型和量测模型，利用无线电子系统和天文导航子系统的导航信息，获得目标天体星历误差量测量，并使用卡尔曼滤波方法获得目标天体星历误差的估计状态向量与估计均方误差阵，并将其反馈回无线电导航系统及天文导航系统的状态模型中，修正状态模型误差；利用星历修正系统获得的星历误差，将无线电导航系统的导航信息转换至以目标天体为中心的惯性坐标系中，与天文导航系统的导航信息进行融合，最终为处于捕获段的深空探测器提供位置、速度等导航参数。具体包括以下 步骤1.建立基于太阳和八大行星引力轨道动力学的深空探测器导航系统状态模型A.在目标天体为中心的惯性坐标系中建立深空探测器基于太阳和八大行星引力轨道动力学的第一状态模型，即天文导航子系统的状态模型；X'(t) = fl(X'(t)j) + w\t)(1)式中，X'(t) = [X' , y' , Z1 ,V' x,v' Y, v' J T 为状态向量，(X' (t)，t)为系统非线性连续状态转移函数，W' (t) = Iw' x,w' y,w' Jt为状态模型误差。B.在日心惯性坐标系中建立深空探测器基于太阳和八大行星引力轨道动力学的第二状态模型，即无线电导航子系统的状态模型；X(t) = f2{X{t)j) + w(t)(2)式中，X(t) = [X，y, z, Vx, Vy, νζ]τ为状态向量，f2(X(t), t)为系统非线性连续状态转移函数，w(t) = [wx，wy，wJT为状态模型误差。2.分别建立天文导航子系统和无线电导航子系统量测模型
(I)天文导航子系统量测模型目标天体和两个卫星与三颗背景恒星的角度信息Θu、Θ 2i和Θ 3i (i = I, 2，3)表达式为
权利要求
1. 一种基于星历修正的深空探测器天文/无线电组合导航方法，其特征在于首先建立深空探测器的状态模型和量测模型，利用无线电导航子系统和天文导航子系统分别获取相对太阳和相对目标天体的量测量，通过Unscented滤波估计得到探测器在日心和目标天体为中心惯性坐标系中的位置和速度；在此基础上，建立目标天体星历误差的状态模型和量测模型，并由天文和无线电两个子系统的导航信息获得目标天体星历误差量测量，利用卡尔曼滤波方法对目标天体星历误差进行估计，并将目标天体星历误差反馈至导航系统模型中，对系统模型进行修正，此后将两个子系统的结果进行信息融合，获得校正星历误差后的相对于目标天体和相对于日心的探测器位置和速度；具体包括以下步骤 ①建立深空探测器基于太阳和八大行星引力轨道动力学状态模型； A.在目标天体为中心的惯性坐标系中，建立深空探测器基于太阳和八大行星引力轨道动力学的第一状态模型，即天文导航子系统的状态模型； B.在日心惯性坐标系中，建立深空探测器基于太阳和八大行星引力轨道动力学的第二状态模型，即无线电导航子系统的状态模型； ②分别建立天文导航子系统和无线电导航子系统量测模型； ③对步骤①和步骤②中的状态模型和量测模型进行离散化； ④天文导航和无线电导航量测量的获取及处理； ⑤对天文导航子系统进行Unscented卡尔曼滤波； 根据第一状态模型、天文导航子系统量测模型、天文导航敏感器获得的量测量，进行天文导航子系统Unscented卡尔曼滤波，获得在目标天体惯性坐标系中深空探测器位置和速度的估计状态向量和估计均方误差阵P k ; ⑥对无线电导航子系统进行Unscented卡尔曼滤波； 根据第二状态模型、无线电导航子系统量测模型、由无线电接收装置获得的量测量，进行无线电导航子系统Unscented卡尔曼滤波，获得在日心惯性坐标系中深空探测器位置和速度的估计状态向量与估计均方误差阵Pk ; ⑦判定是否需要进行目标天体星历校正； 当天文导航子系统Unscented卡尔曼滤波的估计均方误差阵P' k大于已有目标天体星历误差均方差阵Peph时，即P k> Peph，则不进行星历校正，直接进行第⑨步信息融合；当Pi k〈P_时，进行目标天体星历误差校正，执行步骤⑧； ⑧对目标天体星历误差进行建模、估计并反馈校正； A.建立目标天体星历误差状态模型 在日心惯性坐标系中建立目标天体星历误差状态模型为= O 式中，;fer=[為，處为日心惯性坐标系中目标天体星历的三轴位置 误差的微分，离散化后为 Xerr (k) = Ferr (Xerr (k~l), k~l) +Werr (k~l)式中，状态转移函数 Fe (Xerr (k-1)，k-1) =Φe , k, ^1Xerr, h，其中 Φe , k, 为第 k-1 时刻到第k时刻的状态转移矩阵，Xerr(k)为第k时刻目标天体星历误差状态向量，且(k)=Xerr, k Werr (k-1)为第k_l时刻目标天体星历误差状态模型误差，k = 1,2,...；B.建立目标天体星历误差量测模型 建立目标天体星历误差的量测模型为 Zerr = H3 (Xerr (k)，k) +V3 式中，H3(X_(k)，k)为k时刻的量测函数，V3为目标天体星历误差量测噪声； C.获取目标天体星历误差量测量 目标天体星历误差量测量ζε 表示为
全文摘要
本发明涉及一种基于目标天体星历修正的深空探测器捕获段天文/无线电组合导航方法，首先建立火星探测器状态模型、天文导航和无线电导航子系统量测模型，然后获取天文和无线电导航子系统的量测量，滤波估计得到探测器在日心和以目标天体为中心惯性坐标系中的位置和速度；在此基础上，建立目标天体星历误差的状态模型和量测模型，并由天文和无线电两个导航子系统的估计状态向量获得目标天体星历误差量测量，利用卡尔曼滤波方法估计目标天体星历误差，并反馈至导航系统模型中，再进行信息融合。本发明属于航天导航技术领域，可在线估计天体星历误差，修正导航系统的模型误差，适用于探测器捕获段。
文档编号G01C21/24GK103063217SQ20131000657
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者房建成, 马辛, 宁晓琳 申请人:北京航空航天大学