一種基於星光角距的深空探測器upf自主天文導航方法
2023-05-31 04:17:06
專利名稱：一種基於星光角距的深空探測器upf自主天文導航方法
技術領域：
本發明涉及航天導航技術領域，可應用於轉移軌道段深空探測器導航參數的確定，特別涉及一種基於星光角距的深空探測器的UPF(UnscentedParticle Filter)自主天文導航方法，適用於轉移軌道上的深空探測器的導航定位。
背景技術：
目前，深空探測是國際航天領域研究的熱點，我國也已將深空探測作為近期航天發展的目標之一。由於深空探測器長時間運行於轉移軌道，而在轉移軌道運動的特點之一是航行距離遠、速度快，電磁波往返時延長，由地面站進行遙測與測控十分困難；二是自由運行時間長，且在微重力環境下，無法用慣性導航技術進行導航；三是精度要求高，在飛行中途必須進行定位並對誤差加以校正；四是要求深空探測器載設備的功耗小、設備輕、可靠性高。
現階段深空探測器的導航方式主要是採用地面站測控，該方法雖然可以提供精確的導航信息，但當探測器距離地球太遠時，很難保證其實時性。而天文導航是一種傳統的完全自主的導航方法，它具有以下特點①不需與外界進行任何信息交換，是一種完全自主的導航方法；②可以同時提供位置、速度和姿態信息；③僅需利用探測器姿態敏感部件星敏感器和地平敏感器，而不需額外增加其它硬體設備；④不需任何先驗知識。由天文導航的特點可知，天文導航克服了地面站測控難以保持實時性的缺點，是一種完全自主的導航方式，已成為現階段深空探測自主導航的主要方案之一。
常用的深空探測器自主天文導航方法是基於軌道動力學方程的濾波方法，即利用天文量測信息結合軌道動力學方程，通過最優估計的方法得到深空探測器的導航信息。目前，在深空探測器天文量測信息的選擇上有以下幾種主要類型1)太陽、地球矢量方向利用探測器到太陽、地球的矢量方向作為量測信息。
2)太陽、地球、行星矢量方向之間的夾角利用太陽矢量方向、地球矢量方向，行星矢量方向之間的夾角作為量測信息。
3)星光角距即從探測器上觀測到的導航恆星星光的矢量方向與中心天體球心的矢量方向之間的夾角。
使用矢量方向作為量測信息，可得到比較好的濾波精度和收斂效果，但矢量方向與探測器姿態存在耦合關係，矢量方向的測量精度受姿態精度的影響，因此，現有深空探測器自主天文導航方法存在導航精度低、不易控制的缺陷。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服地面站測控在深空探測器導航方面的不足，採用以太陽、地球、行星與恆星之間的星光角距作為量測量的UPF天文導航方法進行深空探測器的導航定位。
本發明的技術解決方案是一種基於星光角距的深空探測器的UPF自主天文導航方法，首先精確建立深空探測器在轉移軌道上的狀態方程(即多體軌道動力學模型)，然後以太陽、地球、行星與恆星之間的星光角距作為量測量建立系統的量測方程，最後採用先進的UPF濾波算法得到高精度的位置、速度估計，具體步驟如下(1)建立深空探測器在轉移軌道上的狀態方程為 式中，rps為日心到探測器的矢徑；rpm為行星到探測器的矢徑；rpe為地球到探測器的矢徑；rse為地心到日心的矢徑；rsm為行星中心到日心的矢徑；μs，μm，μe分別為太陽引力常數、行星引力常數和地球引力常數。假定行星繞太陽作勻速圓周運動，半徑為太陽到行星的平均距離rsm；地球繞太陽作勻速圓周運動，半徑為1個天文長度單位AU。
(2)以探測器與太陽、地球、行星以及恆星的三個星光角距作為量測量建立系統的量測方程，即從深空探測器上觀測到的導航恆星星光的矢量方向分別與太陽、地球和火星球心的矢量方向之間的夾角，表達式如下s=arccos(-rpss1rps)e=arccos(-rpes2rpe)m=arccos(-rpms3rpm)]]>式中，s1，s2，s3分別為恆星星光方向的單位矢量，由星敏感器識別。
(3)採用UPF濾波算法提高轉移軌道上深空探測器的導航精度，UPF算法利用UKF(Unscented Kalman Filter)來得到粒子重要密度函數，首先根據前一時刻粒子及其方差確定一組西格馬點，此點集的位置和權值是由粒子的期望和方差唯一確定的，能較準確地抓住粒子概率分布的特徵。然後將這些點分別代入狀態方程，得到一新點集，用這些點集的加權和作為期望，用其方差的加權和作為方差，然後再用測量方程對已經求得的期望和方差進行修正，並用修正後的值作為高斯分布的期望和方差，產生一個當前時刻的粒子。因為其充分考慮當前量測對後驗概率分布的影響，提高了粒子的利用效率。
本發明的原理是由於自然天體總是按其固有規律運動的，它們在某個時刻相對特定坐標系的位置矢量是可以精確得到的，因此在深空探測器飛行過程中那些便於用星載設備進行觀測的自然天體就構成了天文導航的信標，通過對信標觀測所獲得的數據進行處理，就可獲得深空探測器所在的位置。具體方法是首先精確建立深空探測器在轉移軌道上的狀態方程(多體軌道動力學模型)，然後以探測器與太陽、地球、行星以及恆星的三個星光角距作為量測量建立系統的量測方程，並採用UPF濾波算法，最終提高深空探測器的導航精度。
本發明與現有技術相比的優點在於克服了當探測器距離地球太遠時地面站測控難以保證其實時性的缺點，構建了一種用於轉移軌道上的深空探測器的全自主、高精度的天文導航方法，它具有以下優點(1)採用星光角距作為量測量的天文導航方法，僅需利用深空探測器姿態敏感部件星敏感器和紅外地平儀，而不需額外增加其它硬體設備，不需與外界進行任何信息交換，是一種完全自主的導航方法；(2)採用UPF濾波算法，克服了標準的粒子濾波沒有考慮最新量測信息和UKF只能應用於噪聲為高斯分布的不足，能夠取得比標準的粒子濾波和UKF更快的濾波收斂性和更高的濾波精度。
圖1為本發明的自主天文導航方法的一種實施例的流程圖；圖2為本發明中的量測信息——星光角距示意圖。
具體實施例方式
如圖1和圖2所示，本實施例採用的深空探測器為一種火星探測器，本發明的具體方法如下1、建立火星探測器在轉移軌道上的狀態方程(即多體軌道動力學模型)，本發明中的狀態模型考慮為圓形限制性四體模型。圓形限制性四體模型需要考慮探測器、太陽中心引力、火星中心引力和地球中心引力間的相互作用，其他攝動的影響則不考慮。
假定火星繞太陽作勻速圓周運動，半徑為日火平均距離rsm；地球繞太陽作勻速圓周運動，半徑為1個天文長度單位AU。一般限制性四體模型中，火星探測器狀態方程可表示為式(1)。
式中，rps為日心到探測器的矢徑；rpm為火星到探測器的矢徑；rpe為地球到探測器的矢徑；rse為地心到日心的矢徑；rsm為火心到日心的矢徑；μs，μm，μe分別為太陽引力常數、火星引力常數和地球引力常數。實際計算中，把矢量形式化成直角坐標形式，選取地心黃道慣性坐標系，可得 式中，(x1，y1，z1)為火星坐標，(x2，y2，z2)為地球坐標，(x，y，z)為火星探測器坐標，其中火星和地球坐標為時間函數，可以由星曆表求得。
式(2)可簡寫為 其中，狀態矢量X＝[x y z vxvyvz]T；x，y，z，vx，vy，vz分別為探測器在X，Y，Z三個方向的位置和速度；w為系統模型噪聲。
2、以太陽、地球、行星與恆星之間的星光角距作為量測量建立系統的量測方程。星光角距是天文導航中常用的一種觀測量，指從深空探測器上觀測到的導航恆星星光的矢量方向與天體球心的矢量方向之間的夾角。
圖2所示為探測器與太陽、地球、火星以及三顆恆星的星光角距，可得到星光角距的表達式如下。
s=arccos(-rpss1rps)e=arccos(-rpes2rpe)m=arccos(-rpms3rpm)--(4)]]>
式中，s1，s2，s3分別為三顆恆星星光方向的單位矢量，由星敏感器識別。
令Z＝[θsθeθm]T，量測噪聲v=[vsvevm]T]]>，由式(4)可得系統的量測方程為Z(t)＝H(X(t)，v(t))(5)3、採用UPF濾波算法提高深空探測器的導航精度。
粒子濾波(PF)是遞推貝葉斯濾波器的另一種實現形式，其基本思想是用隨機樣本來描述概率分布，這些樣本被稱為「粒子」，然後在測量的基礎上，通過調節各粒子權值的大小和樣本的位置，來近似實際概率分布，並以樣本的均值作為系統的估計值，原則上可用於任意非線性非高斯隨機系統的狀態估計。但該方法的缺點是存在退化現象，消除退化可依賴於適當選取重要密度函數。
UPF算法就是利用UKF來得到粒子重要密度函數的一種粒子濾波方法，由於該重要密度函數中包含了最新量測信息，因此具有更好的性能。深空探測器導航系統實際上是非線性、噪聲非高斯分別的系統，因此UPF方法是比較適用的一種濾波方法。首先根據前一時刻粒子及其方差確定一組西格馬點，此點集的位置和權值是由粒子的期望和方差唯一確定的，能較準確地抓住粒子概率分布的特徵。然後將這些點分別代入狀態方程，得到一新點集，用這些點集的加權和作為期望，用其方差的加權和作為方差，然後再用測量方程對已經求得的期望和方差進行修正，並用修正後的值作為高斯分布的期望和方差，產生一個當前時刻的粒子。因為其充分考慮當前量測對後驗概率分布的影響，提高了粒子的利用效率。具體步驟如下系統的狀態方程和量測方程可由式(2)和式(4)得到，且xk＝f(xk-1，wk-1)p(xk，xk-1)，zk＝f(xk-1，vk)p(zk，xk)①初始化T＝0時，對於i＝1，......，N，生成服從先驗分布q(x0)的N個採樣粒子{x01，x02，L，x0n}，並將每個樣本的初始權值ω0i均設為1/N。
x0i=E[x0i]]]>P0i=E[(x0i-x0i)(x0i-x0i)T]]]>②對於T＝1，2，......，T＝k時的濾波過程如下(a)重要採樣對於N個粒子分別用UKF方法更新，由{xk-1i，Pk-1i}得到 ，並採集一個新的採樣點 ，使得x^ki~q(xki|xk-1i,Zk)=N(xki,Pki).]]>根據樣本的相似程度更新權值，使得ki=k-1ip(Zk|x^ki)p(x^ki|xk-1i)q(x^ki|xk-1i,Zk-1).]]>然後對每個粒子的權值進行歸一化，即令ki=1j=1Nki.]]>最後計算有效粒子的尺寸Neff，Neff=1i=1N(ki)2]]>。如果Neff小於門限值Nth，說明粒子多樣性降低，需轉入步驟(b)進行重採樣，否則轉入步驟(c)輸出該次的濾波結果。
(b)重採樣重採樣的目的是消除權值較小的粒子，增加權值較大的粒子，使重採樣後的樣本集的分布符合後驗密度p(xk|Zk)。重採樣時每個樣本的權值ωki被重新設置為1/N。
(c)結果輸出用權重ωki分別乘以粒子(xki，Pki)得到N個隨機粒子序列。
狀態估計值為xk=iNkixki.]]>狀態估計誤差陣為Pk=i=1NkiPki=i=1Nki(xki-x^ki)(xki-x^ki).]]>UPF算法利用UKF得到粒子濾波的重要性採樣密度函數，從而克服了標準的粒子濾波沒有考慮最新量測信息和UKF只能應用於噪聲為高斯分布的不足。仿真結果表明，該方法可以取得比標準的粒子濾波和UKF更快的濾波收斂性和更高的濾波精度。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種基於星光角距的深空探測器UPF自主天文導航方法，其特徵在於包括以下步驟(1)建立深空探測器在轉移軌道上的狀態方程，即多體軌道動力學方程；(2)以太陽、地球、行星與恆星之間的星光角距作為量測量建立系統的量測方程；(3)採用UPF濾波算法提高深空探測器的導航精度。
2.根據權利要求1所述的一種基於星光角距的深空探測器的UPF自主天文導航方法，其特徵在於步驟(1)中所述的深空探測器在轉移軌道上的狀態方程為 式中，rps為日心到探測器的矢徑；rpm為行星到探測器的矢徑；rpe為地球到探測器的矢徑；rse為地心到日心的矢徑；rsm為行星中心到日心的矢徑；μs，μm，μe分別為太陽引力常數、行星引力常數和地球引力常數。
3.根據權利要求1所述的一種基於星光角距的深空探測器的UPF自主天文導航方法，其特徵在於步驟(2)中所述的以星光角距作為量測量建立系統的量測方程為從深空探測器上觀測到的三顆導航恆星星光的矢量方向分別與太陽、地球和行星球心的矢量方向之間的夾角，表達式如下s=arccos(-rpss1rps)e=arccos(-rpes2rpe)m=arccos(-rpms3rpm)]]>式中，s1，s2，s3分別為恆星星光方向的單位矢量，由星敏感器識別。
4.根據權利要求1所述的一種基於星光角距的深空探測器的UPF自主天文導航方法，其特徵在於步驟(3)中所述的採用UPF濾波算法提高深空探測器的導航精度的方法為利用UKF來得到粒子重要密度函數，根據前一時刻粒子及其方差確定一組西格馬點，此點集的位置和權值由粒子的期望和方差唯一確定；將所述西格馬點分別代入狀態方程，得到一新點集，用這些點集的加權和作為期望，用其方差的加權和作為方差，再用測量方程對已經求得的期望和方差進行修正，並用修正後的值作為高斯分布的期望和方差，產生一個當前時刻的粒子。
全文摘要
本發明涉及一種基於星光角距的深空探測器UPF自主天文導航方法。該方法先對處於轉移軌道上的深空探測器的軌道動力學模型進行精確建模，然後採用星光角距作為量測量，最後採用UPF(Unscented Particle Filter)濾波方法進行了導航參數的最優估計。本發明適用於轉移軌道上的深空探測器的導航定位，屬於航天導航技術領域，可應用於轉移軌道段深空探測器導航參數的確定。
文檔編號G01C21/02GK1995915SQ20061016971
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者房建成, 宋婷婷, 寧曉琳, 楊照華 申請人:北京航空航天大學