一種基於小行星交會的深空探測器自主天文導航方法
2023-09-14 07:04:20 1
專利名稱：一種基於小行星交會的深空探測器自主天文導航方法
技術領域：
本發明涉及在深空探測器與小行星交會階段，基於小行星角度信息的自主天文導航方法，是一種非常適用於與小行星交會段深空探測器的自主導航方法。
背景技術：
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行於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物存在的證據，有助於理解地球和太陽系內生命的起源與演化。近年來小行星探測越來越受到重視。由於深空探測一般採用多科學探測任務，往往在一次深空任務中，通過精確的軌道設計，實現在飛向目標大行星的軌道轉移過程中，實現與小行星交會，完成大行星和小行星共同探測的目標。由於這種深空探測任務對深空探測器的導航品質要求高，若這一階段導航誤差大，無法及時通過軌道控制系統調整探測器的軌道，錯過了軌道機動的最佳時機，就有可能無法與小行星交會，實現共同探測的目標，導致深空探測任務失敗。深空探測任務距離地球遙遠，通訊延遲大，地面測控設施複雜龐大，運行費用高， 而且地面天文望遠鏡獲得的小行星的星曆並不準確，誤差較大，傳統的基於地面無線電測控的導航方式是通過地面軌道預報，結合小行星的星曆給深空探測器發送軌道導航控制命令，但由於深空探測任務無線電通信延遲特性和巨大的星曆誤差，導致基於地面無線電測控的導航方式不能實時為探測器提供準確的導航信息，因此，實現深空探測器的自主導航是深空探測的必然趨勢。與小行星交會階段的深空探測器，由於其距離太陽和各行星的距離都較遠，用於近地逃逸軌道或行星捕獲、著陸等的自主導航方法，如基於IMU、測距測速敏感器、地面圖像等的自主導航方法都無法使用，此時天文導航是唯一有效的自主導航手段。目前根據所觀測天體的不同，深空探測器在轉移軌道上的自主天文導航方法大致可分為三種基於太陽和大行星的自主天文導航方法、基於脈衝星的自主天文導航方法和基於小行星的自主天文導航方法。前兩種方法是利用太陽和大行星或者脈衝星進行定位， 但是由於天體距離遠，測量精度低，可觀測的脈衝星數目少，因此對於小行星交會段的深空探測器並不適用。基於小行星的自主天文導航方法是藉助小行星的位置信息對探測器進行定位。因此以火星以遠(包括火星)的深空天體作為探測目標的深空探測器，考慮到與小行星交會的特殊性，可以通過觀測多顆小行星獲取探測器的位置信息，消除小行星星曆誤差對探測器導航的影響，實現探測器轉移軌道小行星交會段的高精度導航。傳統上利用小行星測量信息的深空探測器自主導航存在以下缺點一方面傳統利用小行星測量信息的深空探測器是採用小行星圖像的像元像線這一測量信息，但是像元像線量測模型受探測器姿態估計精度的約束，姿態估計的精度直接影響了深空探測器的自主導航精度；另一方面傳統上是利用批處理最小二乘等方法減小系統的隨機誤差，但最小二乘估計方法的精度較低，無法為探測器導航提供高精度的導航信息。對於自主天文導航這種非線性系統而言，在有限維系統中無法從根本上獲得最優的濾波算法，現有的解決系統非線性問題的方法都屬於次優非線性估計。現有的次優非線性估計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模型和量測模型的誤差分布特性已知的且狀態量的先驗信息完備的前提下，如果狀態和量測誤差分布特性不準確，如量測信息以及未建模的加速的誤差等動力學模型誤差不準確，則將產生巨大的導航誤差。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服基於太陽與大行星及其衛星和脈衝星自主導航方法中太陽和行星及其衛星到探測器的距離較遠或導航脈衝星數量少、精度低、對探測器軌道設計要求高等缺點，彌補傳統上觀測小行星像元像線量測信息受探測器姿態約束這一不足，並解決系統無法為現有的次優非線性估計方法如Unscented卡爾曼濾波提供準確的狀態模型和量測模型的誤差分布特性和狀態量的先驗信息，為深空探測器在與小行星交會階段提供一種高精度的自主天文導航方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案為建立高精度的深空探測器狀態模型，通過敏感器獲得小行星及其相應圖像中的背景恆星像元像線信息，之後把像元像線信息轉換為方向矢量，建立小行星與背景恆星之間角度信息的量測模型，其中使用自適應 Unscented卡爾曼濾波估計模型誤差方差陣Q，並結合估計的模型誤差方差陣Q確定深空探測器的導航參數。具體包括以下步驟1.建立基於軌道動力學的小行星交會段深空探測器狀態模型；在太陽系內的深空探測任務小行星都處於地球與木星軌道之間的區域，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探測器的作用，選取日心黃道慣性坐標系，可得深空探測器的狀態模型為
權利要求
1.一種基於小行星交會段的深空探測器自主天文導航方法，其特徵在於首先根據軌道動力學模型建立基於小行星交會段深空探測器的狀態模型，並根據小行星敏感器圖像中小行星與背景恆星之間的位置關係建立量測模型，利用小行星敏感器獲得第一小行星及其背景恆星、第二小行星及其背景恆星的像元像線信息，之後把像元像線轉換為角度信息量測量，結合自適應Unscented卡爾曼濾波確定深空探測器的姿態、位置和速度；具體包括以下步驟①建立基於軌道動力學的小行星交會段深空探測器狀態模型；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探測器的作用，選取日心黃道慣性坐標系，可得小行星交會段深空探測器的狀態模型
2.根據權利要求1所述的一種基於小行星交會段的深空探測器自主天文導航方法，其特徵在於所述的步驟⑤中自適應Unscented卡爾曼濾波方法採用自適應估計狀態模型誤差方差算法，具體步驟為①初始化窗口係數Y②自適應調節窗口大小Y 性能指標函數為
全文摘要
本發明涉及一種基於小行星交會的深空探測器自主天文導航方法。根據圓形限制性軌道動力學模型建立深空探測器的狀態模型；利用敏感器獲得小行星以及背景恆星的像元像線信息，把所獲得的像元像線信息轉換為小行星以及背景恆星的角度信息，建立小行星的角度信息量測模型；結合自適應Unscented卡爾曼濾波估計深空探測器的位置和速度。本發明具有估計精度高，非常適用於與小行星交會期間的自主導航。本發明屬於航天導航技術領域，不僅可以為深空探測器提供高精度導航參數，而且可為其自主導航系統設計提供參考。
文檔編號G01C21/24GK102168980SQ20111000663
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者吳偉仁, 寧曉琳, 房建成, 白鑫貝, 馬辛 申請人:北京航空航天大學