基於無線電跟蹤測量的行星進入段自主導航方法
2023-05-09 20:02:06 1
基於無線電跟蹤測量的行星進入段自主導航方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於無線電跟蹤測量的行星進入段自主導航方法，屬於深空探測【技術領域】。為了提高行星進入段自主導航的精確性與實時性，本發明方法利用軌道器和預置的地面無線電信標對探測器進行無線電跟蹤測量，實現行星大氣進入段自主導航方案設計；該方案豐富了觀測信息，具有可實施性強，導航精度高、實時性強的優點。
【專利說明】基於無線電跟蹤測量的行星進入段自主導航方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於無線電跟蹤測量的行星進入段自主導航方法，屬於深空探測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的不斷發展，採樣返回和載人登陸活動將成為未來行星探測任務的必然趨勢，這就要求探測器具備定點著陸的能力(著陸精度<100m)，以成功到達具有科學研究價值的特定區域。探測器著陸經過進入、下降以及著陸三個階段，其中，進入段歷時最長、環境最為惡劣。對於有大氣行星，進入點的初始狀態誤差和氣動環境的不確定性為進入段導航帶來了巨大的挑戰。進入段導航的性能對探測器能否實現行星表面精確著陸有著至關重要的影響，因此，亟需構建行星進入段自主導航方案以保證探測器著陸精度。
[0003]在過去的行星探測任務中，以火星探測為例:探測器在進入段將經過峰值過載、峰值動壓，並且由於摩擦產生大量的氣動熱，為了免於探測器受到惡劣環境的影響，需要在探測器外部安裝熱防護罩，因此，探測器上的多種敏感元件在進入段無法正常工作。目前該段的導航方式主要是通過慣性測量單元(MU)獲得探測器的加速度和角速度信息，進行航位遞推解算探測器的狀態。傳統的慣性導航受到初始狀態誤差和隨機漂移誤差的影響，導航精度較低，難以滿足定點著陸的要求。
[0004]最新研究結果表明，儘管探測器在進入段的超高速運動會造成空氣電離，在其外圍形成等離子層，影響無線電通信效果，但超高頻(UHF)無線電信號可以在進入段的大部分時間穿過探測器周圍的等離子層。因此，有學者提出，可以考慮利用探測器與軌道器之間的無線電測量來獲取額外的導航測量信息，並結合IMU輸出以及適當的導航濾波算法進行組合導航，從而提高導航行星進入段的導航精度。但行星軌道器數量有限，且受到可見弧段的約束，仍難以保證探測器進入段全過程的實時自主導航。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了提高行星進入段自主導航的精度與實時性，提出一種基於無線電跟蹤測量的行星進入段自主導航方法。
[0006]在行星著陸任務前，利用行星軌道器或其他方式在預定著陸區域周圍布置具有無線電測量及通信功能的地面信標，並利用軌道器的多次觀測確定其位置。在進入段，利用軌道器和地面無線電信標對探測器進行無線電跟蹤測量，實現行星大氣進入段的自主導航。具體包括如下步驟:
[0007]步驟1:建立行星進入段的探測器狀態模型。
[0008]在高超聲速進入階段，探測器視為一個無控的飛行質點，不考慮行星氣候環境影響，忽略由行星自轉引起的向心力及科裡奧利效應，建立在行星固連坐標系下的三自由度動力學模型。探測器的狀態為:
[0009]X= [r θ λ V gamma ψ]τ[0010]其中，r表示行星中心與探測器的距離，θ，λ分別為探測器的經度和緯度，V為探測器的速度大小，Y為航跡角，Ψ為方位角。建立探測器的狀態模型為:
[0011]
【權利要求】
1.基於無線電跟蹤測量的行星進入段自主導航方法，其特徵在於:具體流程如下: 步驟1:建立行星進入段的探測器狀態模型； 探測器的狀態為: X= [r θ λ V Y ψ]τ 其中，r表示行星中心與探測器的距離，θ，λ分別為探測器的經度和緯度，V為探測器的速度大小，Y為航跡角，Ψ為方位角；建立探測器的狀態模型為:
2.根據權利要求1所述的基於無線電跟蹤測量的行星進入段自主導航方法，其特徵在於:無線電採用U HF波段或X波段。
【文檔編號】G01C21/24GK103438891SQ201310403975
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月6日 優先權日:2013年9月6日
【發明者】崔平遠, 王碩, 徐瑞, 高艾, 朱聖英 申請人:北京理工大學